천병구 한양대 물리학과 교수, 박일흥 성균관대 물리학과 교수 등이 참여한 ‘텔레스코프 어레이(TA) 코퍼레이션’ 국제공동연구팀은 2.44×10²⁰전자볼트(eV)의 에너지를 갖는 정체불명의 우주선을 관측했다고 국제 학술지 사이언스에 24일(현지 시간) 발표했다. 지금까지 지구에서 관측된 우주선 중 가장 강력해 ‘극한 에너지 우주선(UHECRs)’이라고 명명했다.

한국, 미국, 일본, 대만 연구진이 참여한 TA 연구단은 미국 유타주 사막에 설치된 지상망원경과 지표 입자검출기 등을 통해 2008년 5월부터 약 15년간 천체 데이터를 관측하고 분석했다. 2021년 5월 27일 오전 10시 35분 56초경(UTC·세계표준시 기준) 2.44×10²⁰eV라는 강력한 에너지를 가진 우주선을 찾아냈다. 천 교수에 따르면 이 에너지를 지닌 우주입자를 단 1g만 모아도 20kt(킬로톤·1kt은 TNT 1000t)급 핵폭탄 1000억 개가 뿜어내는 에너지와 맞먹는다.

무엇보다 이번 극한 에너지 우주선의 방향을 관측한 결과, 우주선이 뿜어져 나온 것으로 추정되는 우주 공간에서는 우주선을 발생시킬 수 있을 만한 천체는 발견되지 않았다. 천 교수는 “텅 빈 공간으로부터 자기장까지 누를 정도의 엄청난 에너지가 발생한 셈”이라며 “우주선의 근원이 암흑물질일 가능성도 배제할 수 없다”고 했다. 암흑물질은 우주 물질의 약 25%를 차지하고 있다고 추정되지만 아무런 빛을 내지 않아 존재를 인식할 수 없는 미지의 물질이다.

다만 우주선은 날아오는 동안 우주에 존재하는 전자기파가 총체적으로 누적된 ‘우주배경복사’와 상호작용하면서 에너지를 조금씩 잃는다. 따라서 그 기원은 매우 먼 우주까지는 아닐 것이라는 분석이다. 천 교수는 “최소 100메가파섹(Mpc·약 33만 광년) 이내일 것”이라고 추정했다.

이번 발견에는 2017∼2022년 진행된 해외 우수연구기관 유치사업의 일환으로 연구에 참여한 국내 연구진의 기술이 큰 역할을 한 것으로 알려졌다. 우주선 입자를 검출하는 데 사용된 지표 입자검출기 30여 대는 한양대 성균관대 등 국내 연구진이 직접 제작했다.