———100년 된 우주선 미스터리가 곧 풀리고 있다

빛의 속도에 가깝게 움직이는 고에너지 입자인 우주선(Cosmic Ray)은 은하수 내부와 우주의 더 먼 지역에서 도착하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그들의 구체적인 기원 지점은 1912년 발견 이후 불분명한 상태로 남아 있습니다. MSU의 물리학 및 천문학 조교수인 Shuo Zhang과 그녀의 연구팀은 이 입자들이 어디에 형성되었는지에 대한 새로운 단서를 제공하는 두 가지 연구를 수행했습니다. 이번 연구 결과는 최근 알래스카 앵커리지에서 열린 미국천문학회 제246차 회의에서 공개됐다.

이러한 빠르게 움직이는 입자는 블랙홀, 별 형성 영역 또는 폭발한 별의 잔해와 같은 극한 환경에서 생성되었을 수 있습니다. 이러한 사건은 중성미자(우주와 지구를 지속적으로 통과하는 작고 질량이 거의 없는 입자)를 생성할 수 있습니다.

Zhang은 “우주선은 당신이 생각하는 것보다 지구상의 생명체와 훨씬 더 관련이 있다”고 말했습니다. “블랙홀처럼 멀고 먼 곳에서 온 약 100조 개의 우주 중성미자가 1초마다 당신의 몸을 통과합니다. 그것이 어디서 왔는지 알고 싶지 않나요?”

자연에서 가장 극단적인 입자 가속기 탐색

우주선을 생성하는 소스는 인간이 만든 가장 진보된 입자 가속기가 도달할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 에너지로 양성자나 전자를 추진할 수 있을 만큼 강력합니다. Zhang의 그룹은 PeVatron이라고 불리는 이러한 천연 가속기를 이해하는 데 중점을 두고 그것이 무엇인지, 어디에 위치하는지, 어떻게 입자를 놀라운 에너지로 증폭시키는지를 결정합니다. 이러한 과정에 대한 통찰력을 얻는 것은 과학자들이 은하 형성과 암흑 물질의 본질에 관한 더 광범위한 질문을 해결하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

PeVatron 후보자에 대한 X-Ray 연구에서 얻은 새로운 통찰력

최신 출판물에서 Zhang과 그녀의 학생들은 출신이 아직 확인되지 않은 PeVatron 후보를 조사했습니다. 첫 번째 연구에서 박사후 연구원인 Stephen DiKerby는 대형 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)에서 발견한 수수께끼의 고에너지원을 조사했습니다. LHAASO가 소스를 감지했지만 그 정체는 아직 알려지지 않았습니다. DiKerby는 XMM-뉴턴 우주 망원경의 X선 관측을 사용하여 펄서 바람 성운(펄서에서 에너지를 받는 에너지 전자와 입자로 가득 찬 확장 영역)을 식별했습니다. 이 발견으로 후보가 펄서풍 성운 형태의 우주선 공급원임을 확인했습니다. 소수의 PeVatron만이 이런 방식으로 분류되었습니다.

추가 LHAASO 소스에 대한 학생 주도 관찰

두 번째 연구는 MSU 학부생 Ella Were, Amiri Walker 및 Shaan Karim이 수행했습니다. 그들은 NASA의 Swift X선 망원경을 사용하여 덜 연구된 여러 LHAASO 우주선 소스의 X선 신호를 조사했습니다. X선 방출의 상한을 계산함으로써 그 결과는 유사한 물체에 대한 향후 조사를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Zhang은 “우주 광선 소스를 식별하고 분류함으로써 우리의 노력은 분류와 함께 우주선 소스의 포괄적인 카탈로그를 제공할 수 있기를 바랍니다”라고 말했습니다. “이는 미래의 중성미자 관측소와 기존 망원경이 입자 가속 메커니즘에 대해 보다 심층적인 연구를 수행할 수 있는 유산이 될 수 있습니다.”

중성미자, X선, 감마선 관측 결합

Zhang의 팀은 다음으로 IceCube Neutrino Observatory 데이터를 X선 및 감마선 망원경의 결과와 병합하여 우주선 소스를 조사할 예정입니다. 그들의 목표는 일부 우주선 소스가 중성미자를 방출하는 반면 다른 우주선은 그렇지 않은 이유를 이해하고 해당 중성미자가 생성되는 위치와 방법을 정확히 찾아내는 것입니다.

Zhang은 “이 연구는 입자 물리학자와 천문학자 간의 협력을 요구할 것”이라고 말했습니다. “이것은 MSU 고에너지 물리학 그룹을 위한 이상적인 프로젝트입니다.”

이 연구는 여러 NASA 관측 보조금과 국립 과학 재단 IceCube 분석 보조금의 지원을 받습니다.