CERN, 우주의 숨겨진 자성을 드러낼 수 있는 우주 “불덩어리” 생성

11월 3일에 발표된 팀의 결과 PNAS우주의 사라진 감마선과 눈에 보이지 않는 광대한 자기장에 대한 주요 미스터리를 푸는 데 도움이 될 수 있습니다.

블레이저와 누락된 감마선의 퍼즐

블레이자는 거의 빛의 속도로 강력하고 좁은 입자 제트와 방사선을 발사하는 초대질량 블랙홀에 의해 구동되는 일종의 활동 은하입니다. 이 광선은 수 테라전자볼트(1TeV = 10)에 도달할 수 있는 매우 강력한 감마선을 방출합니다.¹² eV)는 지상 관측소에 의해 감지됩니다.

이러한 TeV 감마선은 은하간 공간을 여행하면서 별의 희미한 배경광과 상호 작용하여 전자-양전자 쌍의 폭포를 생성합니다. 그런 다음 이 쌍은 우주 마이크로파 배경과 충돌하여 저에너지 감마선(약 10⁹ eV 또는 GeV). 그러나 NASA의 페르미 위성과 같은 감마선 우주 망원경은 이러한 예상 신호를 관찰하지 못했습니다. 이러한 불일치의 원인은 오랫동안 알려지지 않았습니다.

과학자들은 두 가지 가능한 설명을 제안했습니다. 한 이론은 은하 사이의 약한 자기장이 전자-양전자 쌍을 편향시켜 결과적인 감마선의 방향을 지구에서 멀어지게 만든다고 제안합니다. 플라즈마 물리학에 뿌리를 둔 또 다른 이론은 은하간 공간을 채우는 얇은 가스를 통과하는 동안 쌍 자체가 불안정해진다고 제안합니다. 이 시나리오에서는 플라즈마의 작은 교란으로 인해 빔에서 에너지를 소모하는 자기장과 난류가 생성됩니다.

실험실에서 우주 조건 재현

이러한 아이디어를 테스트하기 위해 연구팀은 옥스퍼드와 과학 기술 시설 협의회(STFC) 중앙 레이저 시설(CLF)의 전문 지식을 결합하여 CERN의 HiRadMat(재료에 대한 고방사선) 설정을 사용했습니다. 그들은 슈퍼 양성자 싱크로트론을 사용하여 전자-양전자 쌍의 빔을 생성하고 이를 1미터 길이의 플라즈마를 통해 보냈습니다. 이 실험은 블레이저의 쌍 폭포가 은하간 물질을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 소규모 시뮬레이션으로 사용되었습니다.

빔의 모양과 생성된 자기장을 측정함으로써 연구자들은 플라즈마 불안정성이 빔의 흐름을 방해할 만큼 충분히 강한지 여부를 확인할 수 있었습니다.

고대 자기장을 가리키는 놀라운 결과

결과는 예상치 못한 것이었다. 분리되는 대신 쌍빔은 집중되고 거의 평행하게 유지되어 교란이나 자기 활동이 거의 나타나지 않았습니다. 우주 규모에 적용할 때, 이는 플라즈마 불안정성만으로는 누락된 감마선을 설명하기에는 너무 약하다는 것을 의미합니다.

이번 결과는 은하간 매체에 초기 우주에서 남겨진 자기장이 포함되어 있다는 대안적인 설명을 뒷받침합니다.

수석 연구원인 Gianluca Gregori 교수(옥스퍼드 대학교 물리학과)는 다음과 같이 말했습니다. “우리의 연구는 실험실 실험이 어떻게 이론과 관찰 사이의 격차를 해소하고 위성 및 지상 망원경의 천체 물리학 물체에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 수 있는지를 보여줍니다. 또한 특히 점점 더 극단적인 물리적 체계에 접근하는 데 있어 새로운 지평을 열 때 전 세계 실험 시설 간의 협력의 중요성을 강조합니다.”

초기 우주와 자기의 기원

이번 연구 결과는 어떻게 그러한 자기장이 형성될 수 있었는지에 대한 새로운 의문을 제기합니다. 초기 우주는 매우 균일한 것으로 생각되어, 그 시대의 자기장의 존재는 설명하기 어렵습니다. 연구자들은 그 대답이 표준 모델을 넘어서는 물리학과 관련될 수 있다고 제안합니다. CTAO(Cherenkov Telescope Array Observatory)와 같은 미래 관측소는 이러한 이론을 탐구하기 위해 보다 선명한 데이터를 제공할 것으로 예상됩니다.

공동 연구자인 Bob Bingham 교수(STFC 중앙 레이저 시설 및 Strathclyde 대학)는 다음과 같이 말했습니다. “이 실험은 실험실 천체 물리학이 고에너지 우주의 이론을 테스트할 수 있는 방법을 보여줍니다. 실험실에서 상대론적 플라즈마 조건을 재현함으로써 우리는 우주 제트의 진화를 형성하는 프로세스를 측정하고 은하간 공간에서 자기장의 기원을 더 잘 이해할 수 있습니다.”

공동 연구자인 Subir Sarkar 교수(옥스퍼드 대학교 물리학과)는 다음과 같이 덧붙였습니다. “CERN에서 수행되고 있는 개척 연구에 새로운 차원을 추가하는 이와 같은 혁신적인 실험에 참여하게 된 것은 매우 즐거웠습니다. 바라건대 우리의 놀라운 결과가 지상의 고에너지 물리학 실험실에서 근본적인 우주 질문을 조사할 수 있는 가능성에 대한 플라즈마(천체)물리학 커뮤니티의 관심을 불러일으킬 것입니다.”

이 프로젝트에는 옥스퍼드 대학교, STFC의 중앙 레이저 시설(RAL), CERN, 로체스터 대학교 레이저 에너지학 연구소, AWE Aldermaston, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 막스 플랑크 핵 물리학 연구소, 아이슬란드 대학교, 리스본의 Instituto Superior Técnico의 과학자들이 참여했습니다.