[뉴스스페이스=김정영 기자] 중국 과학자들이 대형 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)를 통해 70년 동안 풀리지 않았던 우주선 스펙트럼 ‘무릎(knee)’ 현상의 정체를 밝혀냈다.

Phys.org, China Daily, Global China Daily, News SSB Crack, ScienceDirect에 따르면, 이번 연구는 블랙홀 마이크로퀘이사(micro-quasar)가 우리 은하 내에서 3 페타전자볼트(PeV) 이상의 초고에너지 입자를 가속시키는 강력한 엔진임을 최초로 관측적으로 입증했다. 이로써 오랜 기간 미스터리로 남았던 무릎 구조가 특정 천체현상과 밀접히 연관된다는 사실이 확인됐다.​

LHAASO 연구팀은 SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070, Cygnus X-1 등 다섯 개의 마이크로퀘이사에서 방출되는 초고에너지 감마선을 체계적으로 검출했다. 특히 SS 433의 경우, 이 방사선이 거대한 원자 구름과 겹치면서 블랙홀이 주변 물질을 가속한 양성자가 충돌하여 방출된 것임을 강력히 시사했다.

마이크로퀘이사는 쌍성계에 속한 블랙홀이 동반성으로부터 물질을 흡수해 생성되는 현상으로, 상대론적 제트(relativistic jet)를 방출해 초고에너지 입자 가속을 가능하게 한다. 기존에 우주선 주요 발생원으로 여겨졌던 초신성 잔해(supernova remnants)는 이론 및 관측 상 무릎 에너지 이상으로 입자를 가속할 수 없음이 이번 연구로 재확인됐다. 이와 달리 마이크로퀘이사들이 무릎 이상 영역의 입자 가속에 중심적 역할을 하는 점이 밝혀짐으로써, 은하 내 여러 가속기 존재론이 힘을 얻었다.​

LHAASO는 위성 실험과 견줄 만한 정밀도의 다중 매개변수 측정 기술로, 고순도 양성자 샘플을 대규모로 확보해 입자 에너지 스펙트럼의 미세 구조를 밝혀냈다. 놀랍게도 기존에 예상했던 단순 멱함수(power-law) 스펙트럼의 전환이 아닌, 새로운 "고에너지 성분"이 포함된 복합적 에너지 스펙트럼 구조가 나타났다. 이 결과는 우주선 발생지로서 다양한 종류의 가속기가 존재함을 시사하며, 이에 대한 추가적인 탐색과 분석이 절실하다.​

중국과학원의 Cao Zhen LHAASO 수석 과학자는 “전 세계 최초로 ‘무릎’ 영역 우주선의 근본 원인에 대해 실증적 설명이 가능한 천체 가속원의 유형을 발견했다”며 “은하계 내에 이와 같은 마이크로퀘이사계가 약 12개 존재한다고 추정되며, 추가 관측으로 각기 다른 원자핵의 에너지 스펙트럼 구조를 더 자세히 밝혀내야 한다”고 강조했다.​

이번 연구는 중국과학원 고에너지물리연구소, 난징대학교, 중국과학기술대학교, 로마 사피엔자 대학교 연구진이 협력해 이뤄냈으며, National Science Review와 Science Bulletin에 게재됐다. LHAASO가 은하계 내에서 PeV 이상 에너지 가속기들의 존재를 처음으로 대규모로 입증한 성과로, 우주 물리학과 입자천체물리학에 새로운 전기를 마련했다.​

이처럼 블랙홀 마이크로퀘이사에서 발생하는 초고에너지 입자가 우리에게 도달하는 우주선의 주요 원천임이 명확해지면서, 은하계의 극한 물리 환경과 입자 가속 메커니즘에 대한 이해가 비약적으로 진전될 전망이다. 앞으로도 지속되는 정밀 관측과 다학제적 연구를 통해 우주선 발생과 갈라진 에너지 스펙트럼의 비밀이 더 깊이 풀릴 것으로 기대된다.