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- 블랙홀에서 조수분열사건으로 중성미자 방출 처음으로 관측
- 7억 광년 떨어진 곳, 별이 블랙홀 중력으로 강제로 찢어져

찢어진 별에서 나온 첫 번째 중성미자
블랙홀에서 별이 죽었을 때 고에너지 "유령 입자"가 생성됐다.

별의 죽음의 진통 :
블랙홀에서 별이 죽었을 때 형성된 중성미자가 처음으로 발견됐다.
초거대 블랙홀의 엄청난 조력(潮力)에 의해 별이 찢어졌을 때 극도로 에너지가 넘치는 입자가 방출됐다. 그것은 그러한 "조수 분열 사건"으로부터 중성미자의 첫 번째 증거이며 고에너지 우주 중성미자의 두 번째로 알려진 원천이다. 

▲ 블랙홀이 별을 찢을 때, 천문학자들이 지금 발견한 것처럼 고에너지 우주 중성미자도 방출 될 수 있다. © DESY/ Science Communication Lab

뉴트리노는 여러 면에서 "유령"이다.
수십억 개의 이러한 입자가 매초 우리 몸을 통과한다. 하지만 물질과 거의 상호 작용하지 않기 때문에 우리는 그것을 느끼지 못한다. 또한 비행 중에 세 가지 중성미자 유형 중 하나에서 다른 유형으로 전환할 수 있다. 그리고 많은 중성미자가 태양, 초신성 또는 방사성 붕괴 과정을 통해 발생하지만 가장 에너지가 높은 우주 중성미자의 기원은 지금까지 거의 알려지지 않았다.

연구자들이 처음으로 우주 중성미자를 그 기원으로 되돌리는 데 성공한 것은 2018년이었다. 남극에서 IceCube 중성미자 탐지기로 약 290테라전자볼트의 에너지로 포착된 입자는 먼 은하의 중심에 있는 활성 블랙홀인 블레이저에서 나왔다.

▲ Ice Cube drilling setup at drill camp, December 2009

소스 검색

이제 독일 전자 싱크로트론(DESY)의 로버트 스타인(Robert Stein)이 이끄는 연구자들은 두 번째 우주 중성미자가 그 근원인 별의 극적인 죽음을 추적했다.
2019년 10월 1일 IceCube 중성미자 관측소가 200테라전자볼트의 높은 에너지를 가진 희귀 중성미자를 포착했을 때 수색이 시작되었다. IC191001A라는 명칭이 부여되었다.

이러한 입자의 기원을 확인하기 위해 IceCube 연구원은 자신의 데이터를 캘리포니아의 Palomar 천문대에 있는 Zwicky Transient Facility인 특수 천체 측량의 데이터와 비교한다. 이것은 먼 은하에서 소행성, 초신성 또는 광선 폭발과 같은 단기적인 사건을 하늘에서 끊임없이 검색한다. 우주 중성미자의 경우 특수 소프트웨어가 중성미자의 궤적, 에너지 및 도착 시간과 일치하는 이벤트를 검색한다.

별 하나가 찢어져

이 시스템은 실제로 찾고 있던 것을 발견했다.
2019년 4월에 우주 중성미자의 기원이 될 수 있는 광선이 발생했다.
방사능은 7억 광년 떨어진 은하의 중심부에 있는 별이 강제로 찢어졌을 때 방출됐다.
별은 은하 중심에 있는 초거대 질량 블랙홀에 너무 가까워져서 엄청난 중력에 의해 너무 멀리 떨어져 찢어졌다.

"중력은 물체에 가까워질수록 점점 더 강해진다"고 Stein은 설명한다.
이것은 또한 블랙홀이 조금 더 멀리 있는 별의 뒤쪽 보다 조금 더 가까이 별의 앞쪽을 더 강하게 당겼다는 것을 의미한다. 따라서 천문학자들은 이 힘에 의한 천체의 찢어짐을 조력에 의한 파괴 사건인 “조석 붕괴 사건”이라고 부른다.

▲ Tidal Disruption Event AT2019dsg에서 별 물질의 절반이 우주(오른쪽)에 던져졌고 나머지는 블랙홀 주변에 부착 디스크를 형성하여 고 에너지 입자 흐름이 위아래로 솟아 오른다. © DESY / Science Communication Lab

조수 재해로 인한 최초의 중성미자

천문학자에 따르면, 이 조석 붕괴 사건 동안 중성미자 IC191001A가 방출되었다는 많은 징후가 있다. Stein은 “이것은 조수 재해에서 발생한 최초의 중성미자다”고 말했다.
평가에 따르면, 조수 사건과 중성미자 방출이 우연히 발생할 확률은 500분의 1이다. "에너지가 풍부한 우주 중성미자가 그 기원으로 거슬러 올라가는 것은 두 번째일 수 있다"고 공동 저자 뉴욕 대학교의 Sjoert van Velzen가 말했다.

블랙홀에서 조력에 의한 별의 죽음 과정에 대해 거의 알려지지 않았기 때문에 이것은 흥미롭다. 그 이유 중 하나는 이러한 사건 중에 방출되는 대부분의 입자가 전하를 띠고 따라서 은하 간 자기장에 의해 편향되기 때문이다. 반면 중성미자는 충전되지 않고 거의 간섭없이 우주를 통과한다. 따라서 그들은 그러한 시스템의 귀중한 메신저이다.

재미있는 입자 가속기

IceCube가 감지한 중성미자가 어떻게 발생했는지 자세히 알아보기 위해 천문학자들은 전파에서 X-선에 이르기까지 스펙트럼의 거의 모든 파장 범위에서 먼 은하의 조수 붕괴 사건을 조사했다. 결과로부터 그들은 파괴된 별의 약 절반이 우주로 직접 방출되었다고 결론지었다.
나머지는 3천만 개의 태양 질량의 블랙홀 주변에 소용돌이치는 부착 디스크에 모였다.

중성미자가 이 앙상블에서 방출되려면 양성자가 빠른 속도로 충돌하거나 고에너지 방사선이 빠른 양성자와 충돌해야 한다.
Stein과 그의 팀이 발견한 것처럼 AT2019dsg 이벤트는 우주 입자 가속기를 포함하기 때문에 이러한 기준을 충족한다.
"중성미자 발견은 빠른 입자를 내뿜는 부착 디스크 근처에 중앙의 강력한 기계가 존재함을 나타낸다"고 Stein은 말한다.

입자 분사 와 X-선의 만남

추가 모델에서 DESY의 Walter Winter와 Arizona State University의 Cecilia Lunardini가 이끄는 두 번째 팀이 AT2019dsg 이벤트에서 프로세스를 자세히 조사했다.
이것에 따르면, 별이 파열되었을 때 가속 입자의 흐름이 발생해 시스템에서 위아래로 튀어나왔다. 이 상대론적 분사는 별 물질의 플라즈마 구름에서 다시 산란된 X-선과 충돌했다.
“중성미자는 블랙홀의 별 식사가 시작된 지 반년 후 비교적 늦게 나타났다”고 Winter는 설명한. "우리 모델은 이 타이밍을 자연스럽게 설명한다.”

"빙산의 일각“

천문학자에 따르면, 우주 중성미자의 적어도 일부는 그러한 조수 분열 사건에서 나올 수 있다고 한다. 그러나 그들은 미래에 이러한 빠른 "유령 입자"의 추가 소스를 추적할 수 있기를 희망하고 있다.
위스콘신-매디슨 대학의 IceCube 디렉터 Francis Halzen은 "우리는 여기서 빙산의 일각만 볼 수 있을 것이다. 앞으로 우리는 고에너지 중성미자와 그 근원 사이에 더 많은 연결을 기대한다라고 말했다.

천문학자는 “조석 재해 및 기타 의심되는 중성미자 발생원에 대해 더 큰 민감성을 제공할 새로운 세대의 망원경이 현재 제작되고 있다”며 “더 중요한 것은 IceCube 중성미자 탐지기의 계획된 확장으로, 관측된 우주 중성미자의 수를 최소 10배 이상 증가시켜야 한다”고 설명했다.
(Nature Astronomy, 2021; doi : 10.1038 / s41550-020-01295-8; doi : 10.1038 / s41550-021 -01305-3)
출처 : German Electron Synchrotron DESY, New York University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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