은하 중심에서 방출되는 반물질 원인은 펄서?

천문학자가 오랫동안 고민해온 하늘 은하 중심에서 과도한 반물질이 방출되고 있다는 수수께끼 같은 현상 원인은 지금까지 암흑물질이 소멸했을 때 생기는 양전자에 의해 일어나는 게 아닐까 예측됐다. 하지만 최신 연구 결과에 따르면 반물질 발생 원인은 펄서인 것으로 밝혀지고 있다.

눈에 보이는 건 실제로 우주에 존재하는 것 가운데 일부에 불과하다. 만일 눈에 보이는 것만으로 우주를 조사하려고 하면 보이지 않는 빛 파장에 존재하는 대량 정보는 모두 놓치게 된다. 하지만 눈에 보이지 않는 빛 파장에도 감마선이나 전파, 적외선, 엑스선, 자외선, 마이크로파 등 천체 물리학적 정보가 많이 포함되어 있다.

이런 빛을 관측하는 방법과는 별도로 우주를 측정하는 방법이 입자와 반입자를 관측한다는 우주선 천문학적 방법이다. 10년 이상에 걸쳐 천문학자는 전자 반물질에 해당하는 우주선 양전자를 관측해 우주에서 일어나고 있는 사건에 대해 이해를 깊게 하려고 해왔다.

우주에는 전자 반물질인 양전자를 생성하는 물질이 다수 존재한다. 두 입자 사이에 충분히 높은 에너지 충돌이 발생하면 새로운 입자와 반입자 쌍을 생성할 수 있는 일정량 에너지가 발생한다. 이 에너지가 새로 생성되는 입자와 반입자 쌍의 등가 질량보다 큰 경우 충돌이 발생할 때마다 새로운 입자와 반입자 쌍이 생성될 수 있다.

이런 에너지는 블랙홀에 의해 가속된 입자, 고에너지 양자가 은하 원반에 충돌, 중성자성 근처에서 가속된 입자 등에 의해 발생한다고 한다. 또 암흑물질 등 미지의 발생원으로부터 태어나는 경우도 생각되고 있었다.

우주왕복선 최종 임무에서 국제우주정거장에 설치된 알파 자기 분광기 AMS-02는 우주 공간에서 이런 종류 데이터를 수집한다. AMS-02는 연간 100억 개 이상 우주선 입자를 수집, 측정하고 있으며 그 중 일부가 양전자였음이 밝혀졌다.

AMS-02에서 주목할 점은 실험에서 관측하는 자기다. 자기장은 하전입자를 구부리지만 이동하는 하전입자에 가해지는 자력은 그 전하와 속도에만 의존한다. 또 입자가 구부러지는 정도는 검출기를 통과하는 입자량이나 들어오는 입자 질량, 운동량에 의존한다. AMS-02는 이런 우주선을 종류와 에너지 양쪽으로 분류할 수 있기 때문에 양전자가 암흑물질에 의해 생성된 것인지 아닌지를 판단하기 위한 데이터를 제공해주는 것이다.

이 데이터세트를 분석한 결과 저에너지에선 우주선이 성간물질이 충돌한다는 기존 예측과 일치했지만 더 높은 에너지에선 뭔가 다른 사건이 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. AMD-02에선 우주선과 성간물질 충돌에 의해 발생하는 양전자가 예측 이상으로 많이 관측됐지만 이게 반드시 암흑물질 유래는 아니다. 가속하는 펄서가 고에너지로 정점에 도달해 과도한 양전자를 생성할 수 있다.

과잉 양전자가 암흑물질 유래인지 펄서 유래인지 판별하는 방법은 고에너지를 관측해 에너지 스펙트럼 감쇠가 급격한지 여부를 확인하는 것이다. 에너지 스펙트럼 감쇠가 급격한 경우는 암흑물질, 완만한 경우는 펄서 유래라고 구별할 수 있다고 한다.

또 관측된 양전자를 생성하는 게 펄서라면 이런 양전자 대부분은 우주선에 도달하기 전 시기에서 성간물질 중 전자와 충돌하게 된다. 양전자는 전자와 충돌하면 사라지고 각 반응에서 특수한 에너지 특징을 가진 감마선을 생성한다. 하지만 펄서는 이론상 전자와 양전자를 높은 에너지로 가속시킨다. 이는 세계에서 가장 강력한 지상 입자 가속기조차 전혀 도달할 수 없는 수준이다. 또 광자가 이런 초가속 입자와 상호 작용하면 비정상적인 에너지로 부스트될 수 있다고 한다.

미항공우주국 나사(NASA) 페르미 감마선 우주망원경 등장으로 기존 감마선 관측소보다 공간 분해나 에너지 분해 능력이 대폭 향상됐다. 페르미 감마선 우주망원경은 현재도 전 세계에서 가장 세련된 감마선 관측 장치로 지금까지 관측할 수 없었던 펄서 등 상세에 대해서도 관측이 가능하다. 우주선에서 발생하는 감마선을 뺀 것으로 성간가스 구름과 충돌했을 때 발생하는 전자나 양전자와 상호 작용하는 별빛으로부터 발생하는 잔류신호 수수께끼를 밝힐 수 있을 가능성이 있다.

2019년 공개된 논문에선 페르미 감마선 우주망원경 관측 데이터와 AMS-02 수집 데이터를 분석하고 있다. 연구팀은 저에너지 입자는 별빛에 부딪치고 에너지 일부를 펄서로 옮기고 빛을 감마선으로 높이기 전에 펄서에서 더 멀리 이동한다며 이게 감마선 방출이 더 낮은 에너질고 더 넓은 영역을 커버하는 이유라는 말로 발생 원인이 펄서에 있다고 지적하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.