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활성 은하핵(AGN)에서 나오는 가장 높은 에너지 중성미자. 전파망원경으로 검색, 활성은하 전파폭발과 중성미자 신호가 시공간적으로 매우 일치, 중성미자는 블랙홀 주변 구름이 아니라 중심에서 직접 생성돼.

블랙홀이 중성미자를 가속시킬까
중성미자는 활성 은하핵에서 생성될 것이다.

천문학자들은 고에너지 중성미자가 어디에서 왔는지 알아냈을 것 같다.
활성 은하핵으로부터의 전파폭발과 중성미자 신호가 눈에 띄게 시공간적 일치가 있기 때문이다. 중성미자는 그러한 은하의 초거대 블랙홀에서 직접 발생할 수 있다.
Astrophysical Journal에 보고된 내용이다.

▲ IceCube 감지기 : 지금까지 감지기에 의해 포착된 가장 활설화된중성미자의 기원은 불분명했다. 최근 천문학자들은 새로운 단서를 찾았다. © IceCube Collboration / NSF

중성미자는 현재에도 수수께끼처럼 널리 퍼져 있다.
수십억 개의 입자들이 매초 우리 몸을 고속으로 지나치지만, 그 입자의 기원은 부분적으로만 알려져 있다. 중성미자는 태양, 대기 및 많은 붕괴 과정에서 형성된다는 것 정도 알고 있다. 수백에서 수천 개의 테라전자볼트 (TeV)를 가진 가장 활력있는 우주 중성미자의 원천은 불분명하다. 일부 물리학자들은 심지어 표준 모델 이상의 물리학적 증거가 있다고 추측한다.

특히 남극 IceCube 전망대와 같은 탐지기가 고에너지 중성미자를 포착하는 경우는 매우 드물다. 탐지기에 등록된 입자 흔적은 대부분 하늘에서 정확한 원점을 찾기가 어렵다.
2018년이 되어서야 천문학자들이 고에너지 중성미자 중 하나를 항성 은하 심장에 있는 초거대 블랙홀 블라자르까지 추적했다. 이 블랙홀은 항상 X-선과 감마선을 방출한다.

전파 망원경으로 검색

중성미자의 출현이 단지 고립된 사건일까?

아니면 모든 고에너지 중성미자가 활성 은하핵(AGN)에서 나왔을까? 모스크바 물리기술 연구소(MIPT)의 알렉산더 플라빈(Alexander Plavin)과 그의 동료들은 최근 이것을 조사했다. 그들은 연구를 위해 IceCube 데이터를 사용해 200개 이상의 테라전자볼트(TeV) 에너지를 가진 56개 중성미자 소스의 대략적인 위치를 결정했다.

그런 다음 이러한 천체 위치와 입자의 도착 시간을 무선 망원경의 데이터와 비교했다.
이 망원경은 매우 긴 기준선 간섭계(VLBI, Very Long Baseline Interferometry)을 사용해 서로 연결된 가상 안테나를 형성했다. 특별히 천문학자들은 시공간적으로 중성미자 신호와 일치하는 활성 은하핵에서 전파 파열을 찾았다.

눈에 띄는 일치

실제로, 그들은 찾던 것을 발견했다.
활성 은하핵으로부터의 가장 강력한 4가지 발생은 4개의 중성미자 사건의 비행 타이밍과 방향과 일치한다고 연구원들은 보고했다. 다른 중성미자와도 유의한 상관 관계가 있었다.
따라서, 그러한 입자 검출과 관련된 은하핵은 나머지 활성 은하핵보다 무선 영역에서 더 능동적이고 광범위한 소스였다.

“신중하게 조사한 결과, 중성미자 사건이 전파 망원경이 포착한 신호와 명확하게 관련되어 있음을 확인할 수 있었다.”라고 모스크바 원자력 연구소의 공동 저자 세르게이 트로이트스키(Sergey Troitsky)는 말한다. "이러한 일치들이 무작위일 가능성은 0.2%에 불과하다.“
더 자세히 분석한 결과, 특히 제트기와 광선 원뿔이 있는 은하핵은 중성미자의 근원인 것으로 보인다.

플라빈 박사는 “우리의 결과는 고에너지 중성미자가 활성 은하핵에서, 특히 전파 폭발 중에 형성됨을 시사한다”고 말한다. 이것은 X-ray 범위에서 은하의 관측과 이전 비교가 성공적이지 않은 이유를 설명 할 수 있다. 분명히 AGN 방사선의 강도는 X-선 방출보다 중성미자 생산과 더 밀접한 관련이 있다.

▲ 활동적인 초 거대블랙홀이 있는 은하. 전파데이터(주황색)는 제트 및 가속 디스크를 보여 주며 AGN(활성은하)의 X 선 방출은 파란색으로 나타난다. © ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray)

중성미자는 블랙홀에서 직접 만들어진다.

그러나 중성미자는 어떻게 발생할까?
VLBI 데이터가 매우 선명해서 천문학자들은 중성미자의 기원 장소를 더 정확하게 좁힐 수 있었다. 따라서 이러한 고에너지 입자는 은하핵의 외부 영역에서 나오지 않는다.
예를 들어 블랙홀에서 나오는 가스 구름과 제트기에서 오는 것이아니다.
대신 블랙홀 중앙에서 직접 생성된다.

연구원들은 “중앙에 위치한 대규모 블랙홀 근처에서, 가속된 물질은 상대적인 속도로 가속된다”고 밝혔다. 결과적으로, 고에너지 양자는 이 사건의 원반을 빠르게 돌고있는 디스크에서 방출된다. 이들이 광자 및 다른 입자와 상호 작용할 때 에너지가 풍부한 중성미자가 생성된다.

그러나 이것이 정확히 어떻게 발생하고 어떤 활성 은하핵이 중성미자를 방출하는가에 대해서는 더 연구할 필요가 있다. Troitsky는 “지금의 발견에는 이론적인 설명이 필요하다”고 말했다.

(Astrophysical Journal, 2020; doi: 10.3847/1538-4357/ab86bd)
출처: Moscow Institute of Physics and Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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