과학자들이 2017년 9월 남극대륙에서 검출된 중성미자(neutrino) 입자가 두 은하의 초대질량 블랙홀 충돌에 기원했을 가능성을 제시했다.

‘TXS 0506+056’으로 알려진 중성미자 입자의 기원을 추적 중인 천문학자들은 이것이 38억 광년 거리 은하계에서 온 것으로 추적했다. 해당 은하는 오리온 별자리 어깨 왼쪽에 위치한다.

연구원들은 수요일 중성미자의 기원에 대한 답을 찾기 위해 천문학 및 천체물리학(l Astronomy and Astrophysics) 저널에 새 연구 결과를 발표했다.

막스 플랑크 천문연구소의 공동저자인 실케 브리젠(Silke Britzen) 박사는 “왜 TXS 0506+056만 중성미자 방출체로 확인됐는지는 다소 미스터리였다”며 “우리는 TXS 0506+056을 특별하게 만든 중성미자 생성과정을 이해하고 배출 장소를 국소화, 제트의 고해상도 라디오 영상을 연구하고자 했다”고 CNN 인터뷰에서 말했다.

연구원들은 2009년에서 2018년 사이에 ‘IceCube 170922A’로 알려진 중성미자 사건 전후의 은하 활동을 이해하기 위해 은하를 관측, 연구해왔다. 과학자들은 불가사의한 뉴트리노에 대한 새로운 세부사항을 공유한다. 현재, 연구원들은 중성미자의 원인이 초대질량 블랙홀의 제트(jet)라고 불리는 가속 물질이 은하 내 충돌이었다고 믿고 있다. 이것이 2014년 9월과 2015년 3월 사이에 더 많은 중성미자 활동을 야기시켰다고 생각한다.

중성미자는 어떤 종류의 물질을 변화시키지 않고 통과할 수 있는 극히 독특한 입자들이기 때문에 ‘유령’이라고 불린다. 그들은 질량이 거의 없다. 그들은 항성, 행성, 전체 은하와 같은 가장 극단적인 환경을 여행할 수 있으며, 그대로 유지된다.

2018년 7월 중성미자에 대한 초기 연구가 발표되었을 때, 천문학자들은 중성미자가 생겨난 은하 중심에 급속하게 회전하는 초대질량 블랙홀 가능성을 설명했다(아래 관련기사). 이 블랙홀은 블라자르(blazar)로 알려져 있다. 이전에는 태양과 초신성에서 기원을 찾았다.

현재, 연구원들은 이 은하계의 중심부에 두 개의 초대질량 블랙홀이 있을 것이라고 생각한다. 블랙홀은 은하에 동력을 주는 엔진의 역할을 하는 우주에서 가장 정력적인 물체 중 하나가 된다.

블라자르는 두 개의 제트가 빛을 내뿜고 블랙홀의 회전축을 따라 빛의 속도에 가깝게 움직이는 거대한 타원 은하다. 그들은 몇 분이나 몇 달 동안 폭발할 수 있다. 그 엄청나게 밝은 제트들 중 하나는 지구를 가리키고 있다.

그러나 새로운 물질이 오래된 제트 물질과 충돌하는 예기치 않은 제트 물질의 상호작용이 있었다. 제트가 구부러져 있어서 우주 충돌이 일어날 가능성이 있다. 어느 쪽이든 중성미자로 이어진다.

브릿젠과 공동 집필한 남아프리카공화국 노스웨스턴대(North-West University) 물리학과 마르쿠스 봇처(Markus Böttcher) 교수는 “제트된 물질의 충돌은 현재 중성미자 검출에 대해 설명할 수 있는 유일한 실행 가능한 메커니즘”이라며 “또한 우리에게 제트 물질에 대한 중요한 통찰력을 제공하고, 제트가 전자와 양전자로 이루어진 렙톤인지, 아니면 전자와 양성자로 이루어진 하드로닉 인지, 아니면 두 가지 모두의 조합인지에 대한 오랜 의문을 해결해 준다. 적어도 제트 물질의 일부는 하드로닉이어야 한다. 그렇지 않았다면 중성미자는 검출되지 않았을 것”이고 말했다.

과학자들은 한동안 우주적 가속기(cosmic accelerators)로서 이들 제트에 의해 에너제틱한 입자들이 생성될 수 있다고 생각해왔다. 이는 그들이 양성자와 중성자에 영향을 주고 그것들을 우주선(cosmic rays)으로 변화시킬 수 있기 때문이다. 우주 광선은 거대 하드론 충돌기에 있는 입자의 최대 1억 배까지 에너지를 가지고 있기 때문에, 아주 격렬한 어떤 것만이 그것을 만들 수 있다고 과학자들은 추측했다.

그런 다음, 제트의 다른 물질과 상호작용한 후에, 고에너지 광자와 중성미자가 그러한 우주선으로부터 생성될 수 있다. 우주선은 전하를 띤 입자들이기 때문에, 자기장이 그들의 경로에 영향을 미치고 변화한다. 그들의 기원으로 가는 경로를 추적하는 것은 불가능하다. 그러나 중성미자는 에너지가 강하지만 전하가 없다. 아무리 강력한 자기장이라도 그들에게 영향을 줄 수 없다.

두 개의 블랙홀

블랙홀이 있는 은하가 충돌할 때, 때로는 병합된 은하의 중심에 두 개의 블랙홀, 블랙홀 쌍을 생성하기도 한다.

브릿젠은 “제트의 내부를 연구해 중성미자 세대를 이해하는 것은 환상적이다. 우리의 분석으로 2개의 제트를 가진 2진 블랙홀 제트의 또 다른 후보가 나온다면 신기원이 될 것”이라고 말했다.

한편, 2018년 중성미자는 아이스큐브검출기(IceCube Detector)의 남극 얼음 깊숙한 곳에 있는 센서들에 의해 발견됐다. 얼음 속 검출기는 각각 11⁄2마일 깊이의 86개의 구멍을 뚫고, 5160개의 광센서 네트워크를 1입방 킬로미터의 격자 위에 펼쳐놓았다. 아이스큐브 검출기는 2010년부터 작동하고 있다.

*Journal reference

A cosmic collider: Was the IceCube neutrino generated in a precessing jet-jet interaction in TXS 0506+056?
S. Britzen, C. Fendt, M. Böttcher, M. Zajaček, F. Jaron, I. N. Pashchenko, A. Araudo, V. Karas and O. Kurtanidze