30년 만에 또 발견된 초고에너지 우주선…과학자들 '혼란'

지구에 충돌하는 극단적 초고에너지 우주선 상상도 Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Take

현대물리학으론 설명이 안 될 정도로 큰 에너지를 가지고 있는 극단적 초고에너지 우주선(cosmic ray)이 다시금 포착됐다.

24일 미국 유타주 사막에 입자검출기 수백 개를 설치해 고에너지 우주선을 관측하는 '텔레스코프 어레이'(Telescope Array) 공동연구단은 과학 저널 '사이언스'(Science)에서 2021년 5월 포착된 우주선 입자의 에너지가 244EeV(엑사전자볼트=10의 18제곱 전자볼트)로 이론상 가능한 수치보다 5배나 큰 것으로 분석됐다고 밝혔다.

일본 신화에 나오는 태양의 여신 이름을 따 '아마테라스 입자'로 명명한 이 우주선은 2021년 5월 27일 유타주 텔레스코프 어레이 북서쪽 부분의 검출기 23개, 48㎢의 면적에서 포착됐다.

이 입자들은 분석 결과 에너지가 244EeV(약 40J)에 달하는 극단적인 초고에너지 우주선(UHECRs : Ultrahigh-energy cosmic rays)으로 밝혀졌다.

초고에너지 우주선은 인간이 만든 입자가속기에서 도달할 수 있는 에너지보다 약 100만 배 강력한 수준인 1EeV 이상의 아원자 하전 입자가 우주에서 날아오는 것을 말한다.

연구팀은 지난 1991년 발견된 '오마이갓 입자'(Oh-My-God particle) 이후 텔레스코프 어레이에 30개 이상의 초고에너지 우주선이 관측됐지만, 에너지 수준이 오마이갓이나 아마테라스 입자에 근접한 것은 한 개도 없었다고 밝혔다.

현대 물리학 이론으로는 아무리 강력한 초고에너지 우주선이라 해도 에너지 수준이 이론적 한계인 50EeV를 넘을 수 없다. 이에 과학자들은 혼란에 빠진 상태다.

이전까지 50EeV가 넘는 우주선이 포착된 것은 '오마이갓 입자' 뿐이었다. 이 우주선은 에너지 수준이 320EeV로 존재해서는 안 될 정도였으며, 당시 천체 물리학자들을 충격에 빠뜨렸다.

두 우주선 모두를 불가사의한 존재로 만드는 점은 언제 어디서 어떻게 만들어진 것인지 알 수 없다는 사실이다. 아마테라스가 날아온 방향에는 근원 은하나 잠재적 출처가 될 만한 다른 알려진 천체가 전혀 없었으며, 우주선이 온 방향은 우주 거대 구조에서 은하가 거의 존재하지 않는 빈 공간 영역(Local Void)이었다고 연구팀은 설명했다.

과학자들은 존재 자체가 미스터리인 두 초고에너지 입자가 현대 물리학의 불완전성을 보여주는 사례로 보고 있다.

YTN 이유나 (lyn@ytn.co.kr)