우주의 유령 입자, 우리은하에서도 나왔다
우주의 유령 입자, 우리은하에서도 나왔다
남극의 얼음 천문대가 ‘우주의 유령입자’인 중성미자(中性微子·neutrino)를 우리은하에서 처음으로 포착했다.
그동안 멀리 있는 다른 은하에서 날아온 중성미자는 검출했지만, 우리은하에서는 찾지 못해 과학계의 숙제로 남아있었다.
과학자들은 앞으로 우리은하를 빛이 아닌 중성미자라는 새로운 눈으로 관찰할 수 있는 길이 열렸다고 반겼다. 이른바 ‘중성미자 천문학’이 시작된 것이다.
미국 위스콘신-메디슨대의 프랜시스 할젠(Francis Halzen) 교수가 이끄는 국제 공동 연구진은 30일 국제 학술지
‘사이언스’에 “남극의 중성미자 연구시설인 아이스큐브(IceCube)에서 처음으로 중성미자를 이용해 은하수 이미지를 만들었다”고 밝혔다.
아이스큐브는 우리나라를 포함해 전 세계 14국 58개 연구기관에서 350여명의 연구자가 참여했다.
김영덕 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단장은 “그동안 아이스큐브 실험이 우주에서 날아오는 고에너지 중성미자들을 측정하고 어디서 오는지 확인해 왔는데.
이번에 처음으로 우리은하에서 날라오는 고에너지 중성미자를 확인했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.
우리은하에서 나온 중성미자 첫 포착
중성미자는 우주 만물을 이루는 기본 입자 중 하나이다.
우주가 탄생한 빅뱅(Big Bang·대폭발) 직후에도 나왔고, 태양에서 일어나는 핵융합반응이나 원자력발전소의 핵분열에서도 출현한다.
유령 입자로 불리는 것은 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문이다. 지금도 태양에서 온 중성미자가 1초에 수조개씩 지구를 통과한다.
아이스큐브 연구진은 우리은하에서 나온 중성미자가 남극 지하 2㎞에 있는 얼음과 반응할 때 나오는 빛을 포착했다.
남극 아문젠-스콧 기지에 있는 아이스큐브는 2010년 건설됐다.
아이스큐브 과학자들은 남극 지하의 1㎦ 부피의 얼음에 광센서 5160개를 심어 놓고 중성미자가
100만개 중 하나 꼴로 아주 드물게 물을 이루는 수소·산소 원자핵이나 전자와 부딪히는 흔적을 찾아왔다.
중성미자가 원자핵에 부딪히면 연못에 돌멩이를 던질 때 나타나는 파문(波紋)처럼 원형으로 빛의 충격파가 생긴다. 광센서는 이 신호를 감지한다.
아이스큐브는 그동안 다른 은하에서 날아온 중성미자를 잇따라 포착했다.
2017년 지구에서 37억광년(光年, 1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 블랙홀에서 나온 중성미자를 포착했으며,
이어 지난해에는 4700만 광년 떨어진 고래자리 A은하(NGC 1068)로부터 날아온 고에너지 중성미자 79개를 검출했다.
하지만 그보다 가까운 우리은하에서는 중성미자를 찾지 못했다.
아이스큐브를 이끌고 있는 할젠 교수는 “흥미로운 점은 모든 파장의 빛은 가까운 곳이 더 밝지만, 중성미자는 더 먼 우주가 밝다는 것”이리고 말했다.
우리은하에서도 고에너지 입자인 우주선(宇宙線)이 은하 가스, 먼지와 부딪혀 필연적으로 강력한 에너지를 가진 빛인 감마선과 함께 중성미자도 생성한다.
연구진은 은하면에서 감마선이 관측되는 것을 감안할 때 은하수에서도 고에너지 중성미자가 나온다고 예측했다.
은하면은 원반 모양으로 은하의 질량 대부분을 차지하는 평면을 말한다.
은하수는 남반구에서 더 잘 보인다
하지만 중성미자는 관측하기 어려웠다.
우리은하에서 온 우주선이 지구 대기와 충돌하면서 나오는 입자가 중성미자 신호를 가렸기 때문이다.
미국 드렉셀대의 나오코 쿠라바시 닐슨(Naoko Kurahashi Neilson) 교수 연구진은 이를 극복하기 위해 그동안 과학자들이 집중해온 것과 다른 중성미자 신호를 분석했다.
중성미자가 얼음 속 원자핵과 충돌하면 빛이 나오는데, 지금까지는 멀리서 온 긴 궤적의 빛에 집중했다.
대신 드렉셀대는 기원을 알기 힘든 구형의 빛을 분석했다. 그동안 무시하는 신호에 집중한 것이다.
연구진은 “연못에 던진 돌멩이가 항상 정확히 원형이 아닌 파문을 일으키는 것처럼,
중성미자의 방향은 모든 방향에서 완전히 대칭이 아니어서 어디서 왔는지 추적할 수 있다”고 말했다.
