고 에너지 중성미자로 불리는 없는 것에 가까운 입자가 있다. 이 단일 아원자 입자(A single subatomic particle)의 무게는 물질과 비교하기보다 ‘생각’에 비교하는 것이 현실적일 만큼 작다.

최근 과학저널 네이처(Nature)에 따르면 이것의 존재가 우주의 거대한 블랙홀(supermassive black hole, blunderbuss)에서 기원했다는 연구결과가 나왔다.

남극서 발견된 중성미자 아원자 입자, 우주 기원설 뒷받침

우주에서 날아든 아원자 입자가 지난해 9 월 남극 대륙의 중성미자 측정 장치 아이스큐브(IceCube)를 통과했을 때 천체 물리학자들은 그 기원을 찾기위해 경쟁해 왔다. 남극에서 발견된 이 아원자 입자는 그간의 미스테리를 해결하는 데 도움을 주고 있다.

세계 수십 개 이상의 관측소에 의한 후속 연구에 따르면 연구자들은 먼 은하 블랙홀을 고 에너지 중성미자의 근원(a source of high-energy neutrinos)으로 확인했다. 이 발견은 그간 우주 과학자들이 우주에서 지구에 도착하는 양성자와 원자핵의 불가사의한 원인을 우주선(cosmic rays)이라고 칭해온 것을 뒷받침한다.

세계 각지의 여러 연구팀이 12일에 발표 된 7개 이상의 논문에서 중성미자의 근원을 기술하고 있다.

독일의 뮌헨기술대학 (University of Munich)의 우주 입자 물리학자인 엘리사 래스코니(Elisa Resconi)는 “모든 것이 눈부시게 밝고 고에너지 운동을 보이는, 즉 화려한 입자”라고 말한다.

천체 물리학자들은 고 에너지 중성미자와 전하된 대응 양자를 생성 할 수있는 천체 물리 현상에 대한 수많은 시나리오를 제안했다. 양성자와 원자핵을 통칭해 우주선이라고 부른다. 그러나 지금까지, 그들은 이 입자들 중 어느 하나도 분명하게 그 근원까지 추적하지 못했다. 중성미자가 직선으로 움직이는 반면, 우주선은 전하(electric charges)의 영향으로 지구에 이르며 곡선 운동을 해 특히 어렵다.

뮤온(Muon) 경보

이야기는 2017 년 9 월 22 일에 시작됐다. 뮤온이라고 불리는 전하를 띤 입자가 빛의 속도에 근접한 속도로 남극 얼음을 통과했다. 얼음 큐브(IceCube), 즉 큐빅 킬로미터의 얼음 속에 묻혀있는 5,000 개 이상의 센서 어레이가 뮤온이 발생시킨 빛의 깜박임을 감지했다. 입자는 탐지기 아래에서 나온 것처럼 보였다. 그것은 방향이 지평선 아래에서 왔던 중성미자의 산물임을 나타낸다. 뮤온은 물질 내부까지만 이동할 수 있지만, 중성미자는 방해받지 않고 전체 행성을 통과하는 경우가 많다. IceCube가 감지하는 대부분의 것들이 지구 내부의 입자로 추락해 뮤온을 생성한다.

지구의 최남단에 위치한 미국 국립과학재단의 아문센-스캇(Amundsen-Scott) 남극기지의 컴퓨터 클러스터는 몇 초 만에 입자의 정확한 경로를 재구성했으며, 뮤온이 매우 활동적인 중성미자에서 나온 것이라고 인식했다. 이벤트 후 43초, 기지는 위성 링크를 통해 천문학자들의 네트워크에 자동 경고를 보냈다. 그것은 중성미자를 IceCube-170922A로 표시했다.

알람을 받은 펜실베니아주립대(Pennsylvania State University) 천체 물리학자인 Derek Fox는 지구를 도는 X-ray 관측소에서 시간을 신속하게 확보했다. 이 같은 사건에 대해 정확하게 후속 조치를 취할 수 있도록 폭스(Fox)는 2년 전에 자동화 된 경보 시스템을 만들었다.

그와 그의 팀은 중성미자가 어디서 왔는지 밝혀줄 9개의 고 에너지 X 선을 발견했다. 그 중에는 TXS 0506 + 056이라는 객체가 있었다. 이것은 블래이저(blazar)로, 중심부에는 초 대형 블랙홀과 감마선의 근원이 있는 은하계였다. 블래이저에서 블랙홀은 수백만도의 기온까지 가스에 휩쌓여 두 개의 고도로 시준된 추진체로 지구 극지방과, 태양계 방향을 가리킨다. 폭스 팀은 다음날 천문학자들에게 결과를 발표했다. 블래이저는 일종의 추진체(블랙홀)로 지구로 시준된 활성 은하계 핵입자를 말한다.

발화, 플레어 업(Flare up)

다음 날 다른 팀은 NASA의 페르미(Fermi) 감마선 망원경을 사용하여 LAT (Large Area Telescope)의 데이터를 검사했다. LAT는 끊임없이 하늘을 스윕하고, 다른 것들 중 약 2,000개의 블레이저를 모니터한다. 이 물체들은 활동이 증가해 몇 주 또는 몇 달 동안 지속될 수 있으며, 그 기간 동안 비정상적으로 밝아졌다.

“IceCube가 중성미자가 나온 지역을 보았을 때, 우리는이 블래 더가 이전보다 더 많이 날아 오르고 있음을 발견했다”고 메릴랜드 그린벨트에있는 NASA 고다드 우주 비행 센터의 인 LAT 분석 코디네이터 천체 물리학자 레지나 카푸토(Regina Caputo)는 말한다.

9 월 28 일 Fermi-LAT 팀은 이 사실을 밝히기 위해 알람을 보냈다. 그 시점에서 다른 천문학 자들은 매우 흥분했다. 아이스 큐브 (IceCube)는 2010 년에 작업을 시작한 이래로 매년 12개 정도의 고 에너지 중성미자를 발견했지만 하늘에있는 특정 출처와 관계를 밝힌 사람은 없다.

그럼에도 불구하고 중성미자와 TXS blazar flare 사이의 연관성은 우연 일 수 있었다. Fermi-LAT 연구팀은이 사건을 우연히 하늘에서 같은 방향에서 오는 것이 아니라 플레어와 중성미자가 관련이 있다고 계산했다.

“우리는 하늘에서의 무작위 중성미자가 알려진 감마선 소스 중 하나에서 유래 된 확률과 그 시간에 발화 할 가능성을 계산해야했습니다.”

독일 브란덴부르크 주덴(Zeuthen)의 연구소 German Electron Synchrotron(DESY )의 우주입자 물리학자 ANY Franckowiak이 말했다. 그는 IceCube와 Fermi-LAT의 회원이다. 그와 동료들은 물리학적 발견에서 필요로하는 통계적 중요성의 정도는 아니지만 훌륭한 가능성을 발견했다.

남극에 위치한 아이스큐브 중성미자 관측소. *출처= IceCube/NSF

증거 찾기(Evidence hunt)

똑같은 블래이저에서 이전의 플레어 중 발견 된 더 많은 중성미자와 감마선을 발견하면 TXS 0506 + 056이 출처라는 증거를 높일 수 있다. IceCube 연구원은 11 월에 관측소가 2014년과 2015년 사이 하늘에서 같은 방향에서 오는 과도한 중성미자를 기록했다는 것을 발견했다.

아이스 큐브(IceCube)의 분석 코디네이터 레스코니(Resconi)는 일을 마치고 닉 케이브(Nick Cave) 콘서트에 가는 동안 너무 흥분한 나머지 길을 잃었다. 그는 “나는 탁트인 교외까지 나왔다. 동료들은 이제 다음에 중성미자 출처를 보게 될 것이다. 누가 중성미자가 어디에서 끝날지 알고 있다”고 말했다.

그러나 연구진은 이 명백한 플레어가 Fermi-LAT 데이터에 나타나지 않는 것으로 확인했다. 그녀와 공동 연구자들은 그 기간 동안 TXS 플레어의 힌트를 발견했으나 동시에 Fermi-LAT가 감지하기에는 너무 많은 감마선 에너지를 발견했다.

블랙홀 블래이저에서 지구까지 거리…약 11 억 5 천만 파스(3,780 억 광년) 떨어진 것으로 관측

이탈리아의 Padua 천문대의 Simona Paiano는 “누락된 주요 정보는 지구로부터 blazar까지 거리였다”고 말한다. 이를 측정하기 위해 그녀와 그녀의 팀은 스페인 최대의 광학 망원경 인 스페인의 카나리 제도 중 하나 인 라 팔마 (La Palma)에 위치한 10.4 미터 그란 텔레 스코 피오 카나리 아스 (Gran Telescopio Canarias)에서 15 시간을 관찰했다. 그들은 그것이 약 11 억 5 천만 파스(3,780 억 광년) 떨어진 것으로 관측했다.

뉴욕 대학의 입자 물리학 및 데이터 분석 전문가 Kyle Cranmer는 데이터를 종합 해 볼 때 잠재적 원인을 찾아 낼 수는 있지만 “관찰은 명확하지 않다”며 “고 에너지 중성미자의 원천으로 블레이저를 확고히 확립하려면 더 많은 후속 조치가 필요하다”고 지적한다.

연구자들은 이것이 이 종류의 많은 다중 메신저 사건 중 첫 번째 일이기를 희망한다. 그들은 특히 중력파와 함께 중성미자를 탐지하기를 고대하고 있다. 2017 년 8 월에 중력파를 사용하여 발견된 2 개의 중성자 별의 유명한 충돌은 또한 중성미자를 발생 시켰지만 IceCube는 아무 것도 감지하지 못했다. 그러나 TXS 블래더가 다시 발화하면 더 많은 고 에너지 중성미자와 다른 종류의 방사선을 탐지 할 수 있다.