KISTI의 과학향기

검출기가 남극의 얼음 깊숙한 곳에 묻혀 있는 IceCube Neutrino Observatory가 관측한 고에너지 우주 중성미자의 기원은 물리학자와 천문학자들에게 수수께끼였다. 이번에 개발된 새로운 모델은 최근의 중성미자와 감마선 데이터로 추론된 이들 중성미자 중 일부의 예상 외로 큰 흐름을 설명하는데 도움이 될 수 있다. 이러한 불가사의한 중성미자의 근원을 활동 은하의 중심부에서 발견된 초거대 블랙홀을 지목한 모델을 개발한 미 펜실베니아 주립대 연구진의 논문이 학술지 Physical Review Letters 2020년 6월 30일자에 게재되었다.

 

이 대학 물리학 및 천체물리학과 조교수인 Kohta Murase 교수는 중성미자는 질량이 0에 가까울 정도로 작은 아원자 입자로 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는다면서 고에너지 우주 중성미자는 우주의 고에너지 우주선 가속기(cosmic-ray accelerator)에 의해 생성되는데 이 가속기가 블랙홀이나 중성자 별과 같은 극도의 천체물리학적 물체일 수 있다고 밝혔다. IceCube 데이터는 페르미 감마선 우주 망원경이 볼 수 있는 해당 고에너지 감마선 수준과 비교하여 100 TeV 미만의 에너지를 가진 중성미자의 과다 배출을 보이고 있다.

 

100 TeV 이상의 우주 중성미자의 경우 연구진의 이전 연구에서 멀티메신저 사진과 일치하는 고에너지 감마선 및 초고에너지 우주선과 일치할 수 있다는 것을 보여주었다. 그러나 단순히 설명할 수 없는 100 TeV 이하의 중성미자가 많다는 증거가 늘어나고 있다. 최근 IceCube 관측소는 북쪽 하늘에서 NGC 1068로 알려진 가장 밝은 활동 은하들 중 하나인 방향에서 고에너지 증성미자가 아주 많이 나타난다고 보고했다.

 

새로운 모델은 은하 중심부에서 발견되는 초거대질량 블랙홀 주위의 별과 다른 천체를 둘러싸고 있는 초고온 플라즈마의 아우라인 코로나가 그러한 근원이 될 수 있음을 시사한다. 일식 중 태양의 사진에서 볼 수 있는 코로나와 유사하게, 천체물리학자들은 블랙홀이 중력의 영향을 통해 블랙홀 주위로 형성되는, 액화 디스크로 알려진 물질의 회전 디스크 위에 코로나를 가지고 있다고 믿고 있다. 이 코로나는 온도가 약 10억 켈빈에 달할 정도로 극도로 뜨겁고 자화되며 난기류를 일으킨다. 이 환경에서는 입자가 가속될 수 있어 중성미자와 감마선을 만들 수 있는 입자 충돌로 이어질 수 있지만, 환경은 고에너지 감마선의 탈출을 막을 정도로 밀도가 높다.

 

우주에서 연성 감마선 방출을 탐사하기 위해 특별히 고안된 프로젝트들이 개발되고 있다. 또한 차세대 중성미자 검출기, 지중해의 KM3Net, 남극의 아이스큐브-Gen2는 더 민감하다. 유망한 관찰대상으로는 과잉 중성미자 방출이 보고된 북부 하늘의 NGC 1068과 남부 하늘에서 가장 밝은 활성 은하 몇 개가 있다.

 

새로운 감마선과 중성미자 검출기는 초거대 블랙홀 코로나에서 발생하는 중성미자 방출에 대한 심층적인 검색을 가능하게 할 것이라면서 이 원천이 새로운 모델이 예측하는 대로 IceCube가 관측하는 중간 에너지 수준 중성미자의 큰 방출원인이 되는지를 조사할 수 있게 될 것이다고 전망했다.