초고에너지 우주선

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1. 개요
2. 관측 역사
3. 초고에너지 우주선 관측소
- 3.1. 피에르 오제 관측소 (Pierre Auger Observatory)
4. 발생원 가설
5. 전파 과정
참조

1. 개요

초고에너지 우주선은 10¹⁸ eV 이상의 에너지를 가진 우주선 입자를 의미하며, 1962년 처음 관측되었다. 이러한 입자는 매우 희귀하며, 그 기원은 아직 밝혀지지 않았다. 초고에너지 우주선은 피에르 오제 관측소와 같은 관측소에서 감지되며, 중성자별, 활동 은하핵, 암흑 물질 붕괴 등 다양한 발생원 가설이 제시되고 있다. 우주 마이크로파 배경과의 상호 작용으로 인해 GZK 한계가 존재하며, 우주 자기장의 영향도 받는다.

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초고에너지 우주선
개요
설명	운동 에너지가 1 EeV(5.7 × 10^19 eV)보다 큰 우주선 입자
특성	3,000 제곱킬로미터 면적에 1년에 약 1개 도달
연구	우주선물리학(Astroparticle physics)의 주요 연구 분야
에너지 역치
에너지 역치	10^18 전자볼트(eV) 초과
측정	피에르 오제 천문대 등
연구 과제	기원과 가속 메커니즘 규명
역사적 배경
초기 연구	1960년대 초
중요 연구	피에르 오제 천문대의 연구 결과
주요 발견	에너지 스펙트럼 컷오프 발견 발생원 위치 추적 연구
이론적 배경
가속 메커니즘	페르미 가속 메커니즘 등
발생원 후보	활동 은하 핵(AGN) 감마선 폭발(GRB) 자기장 재결합 초신성 제트 기타 극단적인 천체 현상
추가 정보
참고 문헌	다양한 학술 논문 및 연구 자료

2. 관측 역사

1962년 미국 뉴멕시코주의 볼케이노 렌치 실험장에서 존 린슬레이와 리비오 스카르시가 처음으로 에너지가 (16 J)이 넘는 우주선을 관측했다.^[33]^[34]

이후에도 이보다 더 높은 운동 에너지를 가진 우주선 입자를 관측하기도 했다. 1991년 10월 15일 저녁 미국 유타 주의 더그웨이 성능 시험소에서 플라이아이 실험 중 발견한 오마이갓 입자가 그 예시다. 이 입자가 가진 에너지는 (50 J)로 천체물리학자들에게 충격을 주었다.^[35] 이 원자핵이 가진 에너지는 125g 야구공이 100km/h로 날아갈 때 가지는 에너지와 비슷하다. 이 입자가 가진 에너지는 지금까지 입자 가속기로 가속된 가장 높은 에너지를 가진 양성자보다 4천만 배 더 많은 에너지를 가졌다.

유타 대학교의 고해상도 플라이즈 아이 우주선 검출기에 의한 첫 번째 관측 이후, 최소 15개의 유사한 사건이 기록되어 이 현상을 확인했다. 이러한 매우 높은 에너지의 우주선 입자는 매우 희귀하며, 대부분의 우주선 입자의 에너지는 10 MeV에서 10 GeV 사이다.

3. 초고에너지 우주선 관측소

초고에너지 우주선 관측은 1962년 미국 뉴멕시코주의 볼케이노 렌치 실험에서 존 린슬레이와 리비오 스카르시에 의해 처음으로 이루어졌다. 이때 관측된 우주선은 16J 이상의 에너지를 가지고 있었다.^[33]^[34]

이후 1991년 10월 15일, 미국 유타 주의 더그웨이 성능 시험소에서 플라이아이 실험 중 발견된 오마이갓 입자는 50J의 에너지를 가진 것으로 측정되어 천체물리학자들에게 큰 충격을 주었다.^[35] 이 입자의 에너지는 지구상에서 만들어진 가장 높은 에너지의 양성자보다 약 4천만 배나 더 컸다.

유타 대학교의 고해상도 플라이즈 아이 우주선 검출기를 통해 이러한 현상이 확인된 이후, 최소 15개의 유사한 사건이 기록되었다. 초고에너지 우주선은 매우 희귀하며, GZK 한계로 인해 약 1억 6천만 광년 이상의 먼 거리에서 온 것이 아니라, 초은하단 내의 알려지지 않은 물리적 과정을 통해 방출된 것으로 추정된다.

초고에너지 우주선 관측소는 다음과 같다.

관측소 이름	위치	설명
AGASA	일본	아케노 거대 공기 샤워 배열
남극 임펄스 과도 안테나(ANITA)	남극	초고에너지 우주 중성미자를 감지
극단적 우주 공간 관측소
GRAPES-3	인도 우티	감마선 천문학 PeV 에너지 3차 설립, 공기 샤워 검출기 배열과 대형 뮤온 검출기를 이용한 우주선 연구 프로젝트
고해상도 플라이스 아이 우주선 검출기(HiRes)
MARIACHI	미국 롱아일랜드	고이온화 우주선에 대한 레이더 조사를 위한 혼합 장치
망원경 배열 프로젝트
야쿠츠크 광역 대기 샤워 배열
툰카 실험
플로리다 A&M 대학교의 COSMICi 프로젝트		MARIACHI와 협력하여 UHECR 샤워를 위한 저비용 검출기의 분산 네트워크 기술 개발
우주선 극단적 분산 관측소(CREDO)

3. 1. 피에르 오제 관측소 (Pierre Auger Observatory)

피에르 오제 관측소(Pierre Auger Observatory)는 초고에너지 우주선 입자(에너지가 10²⁰ eV 이상)를 감지하도록 설계된 국제 우주선 관측소이다. 이러한 고에너지 입자는 1제곱킬로미터당 1세기당 1개 꼴로 도착하는 것으로 추정되기 때문에, 이러한 현상을 대량으로 기록하기 위해 오제 관측소는 서부 아르헨티나 멘도사주에 3000km² (로드아일랜드주 크기)의 탐지 구역을 만들었다. 피에르 오제 관측소는 우주선 샤워 성분을 관측하는 데 사용되는 물 탱크 클러스터로부터 방향 정보를 얻는 것 외에도, 샤워 입자가 하늘을 통과할 때 질소 분자의 형광을 관측하기 위해 밤하늘을 향해 훈련된 4개의 망원경을 갖추고 있어, 원래의 우주선 입자에 대한 추가적인 방향 정보를 제공한다.

2017년 9월, PAO의 12년간의 관측 데이터는 극고에너지 우주선의 기원이 은하 외(지구 은하 외부)의 근원임을 뒷받침했다.^[6]

이러한 우주선은 매우 희귀하다. 2004년부터 2007년까지 진행된 피에르 오제 관측소(PAO)에서의 첫 번째 관측에서 5.7×10¹⁹ eV를 초과하는 것은 27회 밖에 관측되지 않았다. 이는 3000km²나 되는 면적을 가진 관측소에서 4주에 한 번 정도밖에 관측되지 않는 적은 빈도이다.^[25]

이 우주선의 정체는 양자가 아니라 헬륨(He) 또는 더 무거운 원자핵으로 여겨진다.^[24]

4. 발생원 가설

초고에너지 우주선(EECR)의 기원은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 관측 결과, 이러한 우주선은 은하 평면과 상관관계가 없으며, 은하 자기장으로는 입자를 이 정도 에너지로 가속하기 어렵기 때문에 은하 외부에서 기원한 것으로 추정된다.^[7]

우주 마이크로파 배경 복사의 광자와의 산란으로 인해 발생하는 에너지 손실(GZK 한계) 때문에, EECR은 약 1억 6천만 광년 이상의 먼 거리를 이동해 오지 않은, 상대적으로 "젊은" 우주선으로 여겨진다. 즉, 초은하단 내의 알려지지 않은 물리적 과정을 통해 생성된 것으로 추정된다.

이러한 우주선은 매우 드물게 관측된다. 2004년부터 2007년까지 피에르 오제 관측소(PAO)에서 5.7×10¹⁹eV를 초과하는 EECR은 27회만 관측되었는데, 이는 3,000km² 면적의 관측소에서 4주에 한 번 정도 관측되는 빈도이다.^[25]

초고에너지 우주선의 구성 성분은 양성자가 아닌 헬륨(He)이나 더 무거운 원자핵으로 추정된다.^[24]

초고에너지 우주선 입자를 1 제타전자볼트(eV)까지 가속할 수 있는 가상의 발생원을 '''제바트론'''이라고 부르며, 이는 로렌스 버클리 국립 연구소의 Bevatron|베바트론^영어이나 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론에서 이름을 따왔다. 2004년에는 은하 제트 내의 충격파에 의한 입자 확산 가속을 통해 은하 제트가 제바트론 역할을 할 수 있다는 가설이 제시되었다. 예를 들어, M87 은하의 우주 제트 충격파가 철 원자핵을 ZeV 수준까지 가속할 수 있다는 모델이 있었다.^[26]

2007년, 피에르 오제 관측소는 EECR이 근처 활동 은하핵(AGN) 중심부의 초대질량 블랙홀과 관련이 있을 수 있다는 잠정적인 결론을 내렸다.^[27] 또한, 그라이브와 파블로프는 펜로즈 과정을 통해 초중량 암흑 물질이 붕괴하면서 EECR이 발생할 수 있다는 가설을 제시하기도 했다.

4. 1. 중성자별

중성자별에서 기원하는 초고에너지 우주선(UHECR) 입자에 대한 몇 가지 가설이 제안되었다.

마그네타 가설: 회전 주기가 10ms 미만인 젊은 중성자별은 자기유체역학(MHD) 힘을 통해 철 원자핵을 UHECR 속도로 가속할 수 있다. 10⁸에서 10¹¹ 테슬라의 자기장을 가진 마그네타는 초신성 잔해의 철 원자핵을 가속하는 상대론적 MHD 바람을 생성한다.^[8]

스트레인지 스타 가설: 중성자별이 스트레인지 스타로 변환될 때 자기장이 붕괴하며 방출되는 큰 진폭의 전자기파(LAEMW)가 초신성 잔해의 가벼운 이온을 UHECR 에너지로 가속한다는 가설이다. 이 가설은 실험적 또는 관측적 증거가 부족한 스트레인지 물질의 바닥 상태 가정에 의존한다.

펄서 자기권 가설: 게 펄서와 유사한 펄서의 자기권 내 원심 가속 메커니즘으로 초고에너지 우주선 ''전자''(에너지가 ≥10¹⁴eV)를 설명할 수 있다.^[8] 2019년 게 성운에서 관측된 초고에너지 감마선은 33ms의 회전 주기를 가진 젊은 펄서에서 이 에너지 규모로 전자가 가속될 수 있음을 보여준다.^[9]

4. 2. 활동 은하핵 (AGN)

피에르 오제 관측소의 최근 결과에 따르면 초고에너지 우주선(UHECR)의 도착 방향은 활동 은하핵(AGN)이라고 불리는 인근 은하 중심에 있는 외부 은하의 초대질량 블랙홀과 관련이 있는 것으로 보인다.^[10] 그러나 사용된 각도 상관 관계 척도(3.1°)가 상당히 크기 때문에, 이러한 결과는 그러한 우주선 입자의 기원을 명확하게 식별하지 못한다. AGN은 단지 100 메가파섹 이내의 대규모 물질 덩어리로 뭉쳐 있는 은하 또는 기타 천체 물체와 같이 실제 근원과 밀접하게 연관되어 있을 수 있다.^[11]

AGN의 일부 초대질량 블랙홀은 세이퍼트 은하 MCG 6-30-15와 같이 회전하는 것으로 알려져 있으며,^[12] 내부 강착 원반에서 시간 변화가 있다.^[13] 블랙홀 스핀은 이온이 은하핵 내부의 제한 요소, 특히 곡률 복사^[15] 및 내부 원반의 복사와의 비탄성 산란을 우회하도록 적절하게 발사되는 경우 UHECR 생성을 유도하는 잠재적으로 효과적인 요인이다.^[14] 저광도, 간헐적 세이퍼트 은하는 핵으로부터 수 광년 떨어진 선형 가속기의 형성으로 요구 사항을 충족할 수 있지만, UV 방사가 이온 오염 물질의 공급을 보장하는 확장된 이온 토러스 내에 있다.^[16] 해당 전기장은 10V/cm 정도로 작으며, 이에 따라 관찰된 UHECR은 근원의 천문학적 크기를 나타낸다. 피에르 오제 관측소에 의한 통계 개선은 현재 (국부 우주에서 온) UHECR과 세이퍼트 및 LINER의 잠정적 연관성을 식별하는 데 기여할 것이다.^[17]

2007년 피에르 오제 관측소(PAO)는 근처의 활동 은하핵 (AGN)의 중심부에 있는 초대질량 블랙홀과 EECR을 잠정적으로 연관시켰다.^[27]

4. 3. 기타 가능한 발생원

초고에너지 우주선의 발생원으로 유력한 후보는 중성자별과 활동 은하핵 외에 다음과 같다.^[7]

초신성 잔해
은하 형성 시대에 생성된 은하간 충격파
감마선 폭발^[18]^[19]
상대론적 초신성^[20]

입자를 1 제타전자볼트(eV)까지 가속시키는, 예상되는 (가설상의) 초고에너지 우주선(EECR)의 발생원은 로렌스 버클리 국립 연구소의 Bevatron|베바트론^영어이나 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론을 본떠서 '''제바트론'''이라고 불린다. 2004년에는 제트 내의 충격파에 기인하는 입자의 확산 가속에 의해 은하 제트가 제바트론으로 기능할 가능성이 고려되었다. 구체적으로, 근처에 있는 M87 은하의 우주 제트의 충격파가 철의 원자핵을 ZeV 범위까지 가속시킬 수 있다는 모델이 제시되었다.^[26] 2007년 PAO는 잠정적으로, 근처의 활동 은하핵(AGN)의 중심부에 있는 초대질량 블랙홀과 EECR을 연관시켰다.^[27] 그라이브와 파블로프의 보다 추론적인 제안에서는, 펜로즈 과정에 의한 초중량 암흑 물질의 감쇠에 의한 것으로 하고 있다.

4. 4. 암흑 물질과의 관련성

활동 은하핵이 암흑 물질을 고에너지 양성자로 변환할 수 있다는 가설이 있다. 상트페테르부르크의 알렉산더 프리드만 이론 물리학 연구소의 유리 파블로프와 안드레이 그리브는 암흑 물질 입자가 양성자보다 약 15배 더 무겁고, 일반 물질과 상호 작용하는 유형의 더 무거운 가상 입자 쌍으로 붕괴될 수 있다고 가정한다.^[21] 활동 은하핵 근처에서 이러한 입자 중 하나는 펜로즈 과정에 의해 설명된 것처럼 블랙홀로 떨어질 수 있고, 다른 하나는 탈출할 수 있다. 파블로프에 따르면, 이러한 입자 중 일부는 유입되는 입자와 충돌하며, 이 충돌은 매우 높은 에너지 충돌로 이어져 매우 높은 에너지를 가진 일반적인 가시 양성자를 형성할 수 있다고 한다. 파블로프는 이러한 과정의 증거가 초고에너지 우주선 입자라고 주장한다.^[22]

그리브와 파블로프는 펜로즈 과정에 의한 초중량 암흑 물질의 감쇠를 초고에너지 우주선의 원인으로 보는 보다 추론적인 제안을 제시하기도 했다.^[27]

5. 전파 과정

초고에너지 입자는 우주 거리를 이동하는 동안 우주 마이크로파 배경의 광자와 상호 작용할 수 있다.^[23] 이것은 관측된 우주선 스펙트럼과 일치하는 그라이젠-자체핀-쿠즈민 한계(GZK 한계)로 알려진 이러한 우주선에 대한 예측된 높은 에너지 컷오프로 이어진다.^[7]

입자의 전파는 우주 자기장에 의해 영향을 받을 수도 있다. 은하 자기장에 대한 몇 가지 연구가 있지만, 외부 은하 자기장의 기원과 규모는 잘 알려져 있지 않다.^[7]

참조

_[1] 논문 Open Questions in Cosmic-Ray Research at Ultrahigh Energies
_[2] 논문 A Bayesian analysis of the 27 highest energy cosmic rays detected by the Pierre Auger Observatory 2011
_[3] 논문 Evidence for a Primary Cosmic-Ray Particle with Energy 10²⁰ eV 1963
_[4] 웹사이트 Could the end be in sight for ultrahigh-energy cosmic rays? http://physicsworld.[...] 2002-09-01
_[5] 웹사이트 Open Questions in Physics http://www.desy.de/u[...] DESY 2012-07
_[6] 웹사이트 Study confirms cosmic rays have extragalactic origins https://www.eurekale[...] 2017-09-21
_[7] 논문 The Astrophysics of Ultrahigh-Energy Cosmic Rays https://www.annualre[...] 2024-11-11
_[8] 논문 Ultra High Energy Electrons Powered by Pulsar Rotation Springer
_[9] 논문 First detection of photons with energy beyond 100 TeV from an astrophysical source https://inspirehep.n[...] 2019-07-08
_[10] 논문 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects 2007
_[11] 논문 An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array https://www.science.[...] 2023-11-24
_[12] 논문 Gravitationally redshifted emission implying an accretion disk and massive black hole in the active galaxy MCG-6-30-15 1995
_[13] 논문 The variable iron K emission line in MCG-6-30-15 1996
_[14] 논문 Cosmic rays from remnants of quasars? 1999
_[15] 논문 Particle Acceleration and Curvature TeV Emission by Rotating, Supermassive Black Holes 2000
_[16] 논문 Non-thermal transient sources from rotating black holes 2009
_[17] 논문 On the Possible Association of Ultra High Energy Cosmic Rays with Nearby Active Galaxies 2009
_[18] 논문 Cosmological Gamma-Ray Bursts and the Highest Energy Cosmic Rays 1995
_[19] 논문 Possible Association of Ultra–High-Energy Cosmic-Ray Events with Strong Gamma-Ray Bursts 1995
_[20] 논문 Ultra-high-energy cosmic ray acceleration in engine-driven relativistic supernovae 2011
_[21] 논문 Active galactic nuclei and transformation of dark matter into visible matter 2009
_[22] 논문 Do Active Galactic Nuclei Convert Dark Matter Into Visible Particles? 2008
_[23] 논문 Astrophysical origins of ultrahigh energy cosmic rays https://iopscience.i[...] 2004-09-01
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_[31] 논문 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects 2007
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