우주선 (물리)

3. 종류

우주선은 그 기원에 따라 크게 1차 우주선과 2차 우주선으로 나뉜다.

1차 우주선은 지구 대기 밖에서 기원하며, 대부분 양성자(약 90%), 알파 입자(약 9%), 그리고 더 무거운 원자핵(약 1%)으로 구성된다.^[9] 극히 일부는 반물질인 양전자나 반양성자로 이루어져 있다.

2차 우주선은 1차 우주선이 지구 대기와 충돌하여 만들어진다. 대기에서 생성된 하전된 파이온은 빠르게 붕괴하여 뮤온을 방출하는데, 이 뮤온은 물질과 강하게 상호작용하지 않아 대기를 지나 지하까지 도달한다. 지표면에 도달하는 뮤온은 1초에 사람 머리 크기의 부피를 통과하는 뮤온이 약 1개 정도이다.^[14] 입자 캐스케이드의 중성자 구성은 고도가 낮아짐에 따라 증가하여 항공기 고도에서는 방사선의 40%~80%에 이른다.^[13]

우주선은 대부분 은하계 내 초신성 잔해 등에 의해 가속되는 은하 우주선이며, 은하 자기장에 의해 은하 내에 장시간 갇혀 파쇄되어 다른 원자핵으로 변하기도 한다. Li, Be, B, Sc, V 등의 원소 존재비가 태양계 내의 것과 우주선 중에서 크게 다른 것이 이를 뒷받침한다.

에너지가 높은 우주선은 드물게 발생하지만, 에너지 스펙트럼은 멱함수 dI/dE∝E^-α(α〜3)로 근사할 수 있다. 이는 우주선 가속이 페르미 가속과 같은 비열적 과정을 통해 이루어짐을 시사한다.

지구 대기에 고에너지 우주선이 들어오면 에어 샤워 현상이 발생하여 많은 2차 입자가 생성된다. 수명이 짧은 입자는 곧 붕괴하지만, 안정된 입자는 지상에서 관측된다. 입자가속기로 만들 수 있는 에너지보다 훨씬 높은 에너지를 가진 우주선은 소립자 반응 연구에 중요한 정보를 제공한다.

GZK 한계를 넘는 에너지를 가진 초고에너지 우주선은 관측되지 않을 것으로 예상되지만, 이를 관측하기 위한 실험 계획(텔레스코프 어레이 실험)도 있다.

우주선은 집적회로와 같은 미세 전자 장치의 오작동 원인이 되기도 하여, 실용적인 공학적 대책 또한 연구되고 있다.

3. 1. 1차 우주선

3. 1. 1. 1차 우주선 내 반물질

3. 2. 2차 우주선

4. 기원

1912년 오스트리아의 헤스는 비행 기구를 타고 5,000m 상공으로 올라가는 실험을 통해 고도가 높아질수록 대기의 전리 작용(이온화)가 증가한다는 사실을 발견했다. 이는 대기의 전리 작용 원인이 지구 외부에서 오는 방사선 때문임을 밝혀낸 것이다. 1922년 미국의 밀리컨은 무인 기구를 약 1만 6,000m 고도까지 올려 대기 중 전리 작용을 측정하고, 지구 외부가 우주선의 기원이라고 결론지으며 우주선이라는 이름을 제안했다.^[8]

1909년, 테오도르 울프는 에펠탑 꼭대기에서 바닥보다 더 높은 수준의 방사선을 측정했다.^[22] 1911년, 도메니코 파치니는 수중에서의 방사능 감소를 통해 이온화의 원인이 지구 방사능 외 다른 요인임을 밝혔다.^[23]

1912년, 빅터 프란시스 헤스는 열기구를 이용해 5,300미터 고도까지 상승, 이온화율이 지상 수준의 두 배로 증가함을 발견했다.^[24] 헤스는 일식 동안 기구를 상승시켜 태양을 방사선 원인에서 배제하고, "매우 높은 투과력을 가진 방사선이 우리 대기 위쪽에서 들어온다"고 결론지었다.^[25] 1913년에서 1914년 사이, 베르너 콜호르스터는 9km 고도에서 증가된 이온화율을 측정, 헤스의 결과를 확인했다.^[26][27] 헤스는 이 발견으로 1936년 노벨 물리학상을 수상했다.^[28][29]

5. 영향

우주선은 지구 대기, 생태계, 인간의 기술 시스템에 여러 영향을 미친다.

우주선이 지구 대기에 진입하면 에어 샤워 현상을 일으켜 많은 2차 입자를 생성한다.^[129][130] 1차 우주선은 주로 양성자를 포함한 하전 입자이며, 2차 우주선은 지상에서 주로 뮤온 형태로 관측된다.

우주선은 집적회로 등 미세 전자 장치의 오작동 원인이 된다. 이는 지상 어디에서나 발생할 수 있어 과학적 연구뿐만 아니라 공학적 대책도 요구된다.^[92] 특히 고도가 높은 곳에서 작동하는 전자기기에 문제가 되었으나, 트랜지스터 소형화로 지상에서도 점차 문제가 되고 있다.^[92]

우주선은 번개 발생 초기 단계에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.^[107]

과거 지구 기후 변화와 대멸종에 우주선이 영향을 주었다는 가설도 제기되었다.^{[110][111][112]}

5. 1. 대기 화학 변화

5. 2. 전자기기 오작동

5. 3. 인체 영향 및 방사선 피폭

후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이전의 수치임. UNSCEAR의 인위적 값은 UNSCEAR 데이터를 요약한 일본 방사선의학종합연구소의 자료임.

고도를 비행하는 제트 여객기의 승객과 승무원은 해수면에 있는 사람들이 받는 우주선 방사선량의 최소 10배에 노출된다.^[104][105] 극지방 항로를 따라 지자기 극 근처를 비행하는 항공기는 특히 위험에 처해 있다.^[106]

은하 우주선은 유인 우주선을 이용한 행성 간 여행 계획의 가장 중요한 장애물 중 하나이다. 2013년 5월 31일, NASA 과학자들은 화성 유인 탐사는 2011년~2012년에 지구에서 화성으로 이동하는 동안 화성 과학 연구소의 RAD가 감지한 고에너지 입자 방사선의 양을 기준으로 이전에 생각했던 것보다 더 큰 방사선 위험을 수반할 수 있다고 보고했다.^{[101][102][103]}

5. 4. 번개 발생

5. 5. 기후 변화

6. 연구 및 실험

1912년 오스트리아의 헤스는 비행 기구를 타고 5,000m 상공으로 올라가 실험을 했는데, 올라갈수록 대기의 전리 작용(이온화)이 증가한다는 것을 발견하였다. 당시 대기의 전리 작용의 원인이 지구 외부에서 오는 방사선에 의한 것인지, 지구 내부의 방사선을 가진 광물에 의한 것인지는 알지 못하고 있었는데, 헤스의 측정으로 그 원인이 밝혀졌다. 4,500m쯤 올라가면 전리 작용이 증가하기 시작한다는 것을 알아낸 것이다. 1922년 미국의 밀리컨은 사람이 타지 않는 기구를 약 1만 6,000m의 고도까지 올리는 데 성공하였으며, 자동 기록 장치로 대기 중의 전리 작용을 측정하였다. 그는 비행중인 비행기 위나 산의 정상, 호수의 수면 밑 등에도 방사선이 존재한다는 것을 확인하였고, 그 기원은 지구의 외부라고 결론지었다. 그래서 우주선이라는 이름을 제안하였다.^[20][21]

주된 우주선(cosmic rays)은 대부분 태양계 바깥, 때로는 은하수 바깥에서 기원하며, 지구 대기와 상호 작용하면 이차 입자로 변환된다. 헬륨과 수소 원자핵의 질량 비율은 28%로, 이들 원소의 원시 원소 존재비 비율 24%와 유사하다.^[59] 나머지 부분은 주로 리튬, 베릴륨, 붕소와 같이 핵합성의 전형적인 최종 생성물인 다른 무거운 원자핵으로 구성된다. 헬륨보다 무거운 하전된 원자핵으로 구성된 우주선을 HZE 이온이라고 하며, 비교적 드물지만 우주에서 우주비행사의 방사선량에 대한 기여가 상당하다.

탄소와 산소 원자핵이 성간 물질과 충돌하여 리튬, 베릴륨, 붕소를 형성하는데, 이는 우주선 파쇄의 한 예이다. 파쇄는 또한 철과 니켈 원자핵이 성간 물질과 충돌하여 생성되는 우주선에서 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 망간 이온의 풍부도를 설명한다.^[60]

고에너지에서는 조성이 변하고, 일부 에너지 범위에서 더 무거운 원자핵이 더 풍부하다. 현재의 실험은 고에너지에서의 조성을 더 정확하게 측정하는 것을 목표로 한다.

우주선에는 태양 우주선과 은하 우주선 등이 있다.^[127][128] 우주선의 대부분은 은하계 내를 기원으로 하는 은하 우주선이며, 초신성 잔해 등에 의해 가속되고 있다고 생각된다. 이들은 은하 자기장에 의해 은하 내에 장시간 갇히기 때문에, 은하 내 물질과의 충돌로 파쇄되어 다른 원자핵으로 변화하는 경우가 있다. 실제로 Li, Be, B, Sc, V 등의 원소 존재비가 태양계 내의 것과 우주선 중에서 크게 다른 것이 알려져 있다. 따라서 우주선의 원소비와 동위원소 존재비를 측정함으로써 우주선이 통과한 물질량을 추정할 수 있다.

에너지가 높은 우주선의 도래 빈도는 극단적으로 낮아지지만, 그 에너지 스펙트럼은 멱함수 dI/dE∝E^-α(α〜3)로 근사할 수 있다. 따라서 우주선의 가속은 열적인 것이 아니라, 항성간 자기 구름이나 충격파와의 충돌을 반복하는 페르미 가속과 같은 기구가 생각된다.

지구 대기 내에 고에너지의 우주선이 입사하는 경우, 에어 샤워 현상이 생겨 많은 2차 입자가 발생한다. 수명이 짧은 것은 곧 붕괴하지만, 안정된 입자는 지상에서 관측된다. 이때, 대기 중에 입사하는 우주선을 1차 우주선, 거기서 발생한 입자를 2차 우주선이라고 부른다.^[129][130] 1차 우주선의 대부분은 양성자를 비롯한 하전입자이다. 2차 우주선은 지상 고도에서는 대부분 μ입자이다.

입자가속기 등에서 인간이 만들어낼 수 있는 에너지는, 중심계에서 최대 10¹³ eV 정도(CERN에서 계획되고 있는 LHC가 1.4×10¹³ eV)이며, 실험실계로 환산해도 10¹⁷ eV 정도이다. 그에 대해 우주선의 에너지는 실험실계에서 최대 10²⁰ eV에 달한다. 따라서 우주선에 의해 초고에너지 영역에서의 소립자 반응에 대한 중요한 지식을 얻을 수 있다. 실제로 다양한 새로운 입자가 소립자 실험보다 먼저 우주선 중에서 발견되었다.

일반적으로 GZK 한계를 넘는 에너지를 가진 우주선(초고에너지 우주선)은 관측되지 않는다고 여겨지지만, 그 관측을 목적으로 한 실험 계획(텔레스코프 어레이 실험)이 있다.

우주선은 집적회로 중의 소자와 같은 아주 미소한 전자 장치의 오작동의 원인이 되기도 한다. 기본적인 부분은 다른 방사선 등과 같지만, 지상에서는 어디든 내리쬐고 있다는 점 등 특이한 점도 있어, 이학적인 연구로서 뿐만 아니라, 실무적인 공학적인 대책 등이 검토되는 대상이기도 하다.

1900년경, 자연 방사선원으로부터 멀리 떨어진 어두운 곳에 설치된 검전기(electroscope)가 방전되는 현상이 관측되었는데, 이는 우주선의 존재를 보여주는 최초의 단서가 되었다.

빅토르 프란츠 헤스는 1912년과 1913년에 유인 기구 실험을 통해 고도가 높아짐에 따라 대기의 이온화가 증가하는 것을 관측했고, 이는 우주선의 방사원이 지구 대기 밖에 존재한다는 것을 보여주는 중요한 결과였다. 이 업적으로 그는 1936년 노벨 물리학상을 수상했다.

1929년에는 스코벨츠인(Skobeltsyn)이 윌슨 구름상자(cloud chamber)를 발명하여 우주선 입자가 만드는 궤적을 관찰했다. 같은 해, 가이거(Geiger)와 뮬러(Muller)에 의해 가이거-뮬러 계수기가 발명되어 개별 우주선을 검출하고 도착 시간을 매우 정확하게 측정할 수 있게 되었다.

윌슨 구름상자 실험은 우주선이 하전 입자의 샤워(shower)를 발생시킨다는 것을 보여주었다. 대기 샤워(air shower)란, 1차 우주선이 대기권에 진입할 때 대기 중에서 발생하는, 이온화 입자와 전자기 방사선의 광범위(수 킬로미터의 폭)에 걸친 캐스케이드 현상이다. 1934년에 B. 로시(B. Rossi)에 의해 발견되었고, 1937년 P. 오제(P. Auger)는 로시의 보고를 모르는 상태에서 같은 현상을 발견했다. 오제는 고에너지의 1차 우주선 입자가 대기권 상층부에서 대기 원자핵과 상호작용하여 2차, 3차 상호작용의 캐스케이드가 시작되고, 최종적으로 전자와 광자의 샤워가 지상에 도달한다는 것을 관측을 통해 밝혔다. 로시는 검출기를 서로 멀리 떨어뜨려 우주선을 관측함으로써 많은 입자가 동시에 검출기에 도달한다는 것을 발견했다.

1930년대부터 1950년대 초까지 우주선은 새로운 입자의 발견에 중요한 역할을 했다. 1930년에는 밀리컨(Millikan)과 앤더슨(Anderson)이 윌슨 구름상자를 통과하는 입자의 궤적을 조사했고, 앤더슨은 양전하를 띠고 전자와 같은 움직임을 보이는 입자(양전자)를 관측했다 (Anderson 1932). 1933년 블래킷(Blackett)과 오키알리니(Occhialini)는 우주선이 챔버를 통과할 때 자동으로 트리거되는 윌슨 구름상자를 사용하여 양전자를 재확인했다 (Blackett and Occhialini, 1933). 양전자의 존재는 1928년 디랙(Dirac)에 의해 이미 이론적으로 예측되었다. 1936년에는 앤더슨과 네드더마이어(Neddermeyer)가 우주선으로부터 중간자(mesotron)라 불리는 전자와 양성자의 중간 질량을 가진 입자를 발견했다. 이것은 1935년 유카와(湯川)에 의해 이론적으로 예측되었다.

2023년 11월 24일, 오사카 공립대학(大阪公立大学) 연구팀이 계산상 1그램으로 지구가 파괴될 정도의 강력한 에너지를 가진 우주선을 발견했다고 발표했다. 연구팀은 2008년부터 미국 유타주 사막 지대에 507대의 검출 장치를 설치하고 관측을 계속하고 있다.^[131]

우주선 연구는 지상 기반 관측, 우주 기반 관측 등 다양한 방법으로 이루어지고 있다. 지상 기반 관측은 광범위한 대기 샤워(EAS)를 형성하는 이차 입자를 탐지하거나, 대기 중 EAS에서 방출되는 전자기 복사를 탐지한다. 우주 기반 관측은 인공위성, 우주 탐사선, 고고도 기구 등을 이용하여 우주 공간에서 직접 우주선을 관측한다. 한국은 국제우주정거장(ISS)에 탑재된 알파 자기 분광계 실험에 참여하여 우주선 내 반물질 탐색 연구를 수행하고 있다.

6. 1. 지상 기반 관측

6. 2. 우주 기반 관측

6. 3. 한국의 우주선 연구 참여

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