[아하! 우주] 남극에 명중한 ‘유령입자’, 블랙홀에 찢긴 별의 흔적으로 밝혀져

블랙홀이 거대한 중력으로 별과 같은 천체를 면발처럼 빨아먹는다는 애기를 들어 봤겠지만, 이는 어차피 먼 우주에서 일어나는 일이므로 우리와 상관없다고 생각할지도 모르겠다. 그렇지만 그 영향을 실제로 지구에서도 볼 수 있다고 과학자들은 말한다.

세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘네이처 아스트로노미’(Nature Astronomy) 최신호(2월 22일자)에 실린 한 연구논문에 따르면, 2019년 1월 1일 지구에 거의 빛의 속도로 이동하는 눈에 보이지 않는 고에너지 우주선(Ultrahigh Energy Cosmic Ray)이 명중했다.

은하를 떠도는 이런 우주선은 지금도 1초에 1회꼴로 우리 몸을 관통하고 있어 걱정할 필요는 없지만, 당시 남극 아이스큐브 중성미자 관측소에서 검출한 것은 매우 특별하다. 그 정체는 7억 년 전 한 블랙홀에 의해 찢겨진 별의 잔재로 밝혀졌기 때문이다.

이 우주선은 중성미자라고 불리는 소립자로, 질량이 거의 없고 전하도 띠지 않아 이른바 ‘유령 입자’라고도 불린다. 전하를 띤 입자라면 자기장에 영향을 받지만 중성미자는 아무런 영향을 받지 않아 우주를 똑바로 이동할 수 있다. 이는 태양의 중심핵에서도 대량으로 방출되고 있고 지구에서도 핵반응로나 입자가속기를 통해 만들어낼 수 있다.

그해 4월 미국 캘리포니아주 팔로마 천문대에서 7억 광년 떨어진 한 블랙홀 주위에서 빛나는 밝은 빛이 관측됐다. 이 빛은 태양의 3000만 배 질량을 지닌 별이 블랙홀의 엄청난 중력에 의해 빨려들어가다가 산산이 흩어졌을 때 발생한 것이다.

조석파괴 사건(Tidal Disruption Event)이라고 불리는 이 현상이 일어났을 때 흩어진 별의 절반은 우주로 튕겨나가고 나머지 절반은 블랙홀 주위에 남아 거대한 강착 원반이 된다. 이런 고온의 먼지와 기체는 블랙홀의 막대한 에너지에 의해 제트 분사처럼 방출된다. 이는 지구상의 입자가속기처럼 중성미자를 생성해 우주를 향해 엄청난 속도로 날아가게 한다. 이 중에는 우주에서 발사된 총알처럼 지구에 명중하는 것도 있다.

이번 중성미자가 발생한 시기는 별이 잡아먹힌 지 반년이 지나고 나서의 일이다. 이 시기는 컴퓨터 모델로 자연스럽게 설명할 수 있다고 독일전자싱크로트론연구소(DESY)의 월터 윈터 박사는 밝혔다.

사실 중성미자의 발원지를 확인한 사례는 이번이 두 번째다. 첫 번째 중성미자는 2017년, 이 역시 아이스큐브 중성미자 관측소에서 검출한 것이다. 그 궤적을 조사한 결과 거대질량 블랙홀이 에너지원이 돼 빛을 내뿜는 천체인 블레이자(blazar)가 있는 먼 은하까지 추적할 수 있었다.

이들 중성미자는 멀리 떨어진 블랙홀의 영향이 우리 지구까지 날아오고 있다는 사실을 보여준다. 과학자들은 1960대 이후로 종종 지구에 쏟아지는 이들 우주선에 의문을 가지면서도 이를 계속해서 검출하면 수수께끼를 밝혀낼 수 있을 것이라고 말했다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr