천문학자를 오랫동안 고민해 온 '우리은하의 중심에서 과도한 반물질이 방출되고 있다'는 수수께끼 현상의 원인은 지금까지 다크마터가 소멸했을 때 생기는 양전자에 의해 일어나는 것이 아닐까 예측되었습니다. 그러나 최신 연구결과로 반물질의 발생원인은 펄서인 것이 밝혀졌습니다.
Pulsars, not dark matter, explain our galaxy's antimatter - Big Think
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/pulsars-dark-matter-milky-way-antimatter/
Pulsars, not dark matter, explain the Milky Way's antimatter
An enormous amount of antimatter is coming from our galactic center. But the culprit probably isn't dark matter, but merely neutron stars.
bigthink.com
눈에 보이는 것은 우주에 존재하는 것 중 일부에 불과하고 이것만으로 우주를 조사하려고 하면 보이지 않는 빛의 파장에 존재하는 대량의 정보는 모두 놓치게 됩니다. 눈에 보이지 않는 빛의 파장에는 감마선이나 전파, 적외선, X선, 자외선, 마이크로파 등 천체 물리학적 정보가 많이 포함되어 있습니다.
이러한 빛을 관측하는 방법과는 별도의 우주를 측정하는 방법으로 입자와 반입자를 관측한다는 '우주선 천문학'이라는 수법이 있습니다. 10년 이상에 걸쳐 천문학자들은 전자의 반물질에 상당하는 우주선 양전자를 관측함으로써 우주에서 일어나고 있는 사건에 대해 이해를 깊게 하려고 시도해 왔습니다.
우주에는 전자의 반물질인 양전자를 생성하는 물질이 복수 존재합니다. 두 입자 사이에 충분히 높은 에너지 충돌이 발생하면 새로운 입자와 반입자 쌍을 생성할 수 있는 일정량의 에너지가 발생합니다. 이 에너지가 새로 생성되는 입자와 반입자의 쌍의 등가질량보다 큰 경우 충돌이 발생할 때마다 새로운 입자와 반입자의 쌍이 생성될 수 있습니다.
이러한 에너지는 블랙홀에 의해 가속된 입자, 고에너지의 양자가 은하 원반에 충돌, 중성자성의 근처에서 가속된 입자 등에 의해 발생한다고 합니다. 또 다크마터 등의 미지의 발생원으로부터 태어나는 케이스도 생각되고 있었습니다.
우주 셔틀 Endeavour의 최종임무로 국제우주정거장(ISS)에 설치된 알파자기분광기(AMS-02)는 우주공간에서 이러한 종류의 데이터를 수집합니다. AMS-02는 연간 100억 개 이상의 우주선 입자를 수집·측정하고 있으며 그 중 일부가 양전자였습니다.
AMS-02의 주목할 점은 실험에서 관측하는 자기입니다. 자기장은 하전입자를 왜곡시키는데 이동하는 하전입자에 가해지는 자력은 그 전하와 속도에만 의존합니다. 그리고 입자가 왜곡되는 정도는 검출기를 통과하는 입자의 양이나 들어오는 입자의 질량·운동량에 의존합니다. AMS-02는 이러한 우주선을 종류와 에너지 양쪽으로 분류할 수 있기 때문에 양전자가 다크마터에 의해 생성된 것인지 아닌지를 판단하기 위한 데이터를 제공해 줍니다.
이 데이터세트를 분석한 결과 저에너지에서는 우주선이 성간물질에 충돌한다는 기존의 예측과 일치했지만, 더 높은 에너지에서는 무언가 다른 사건이 영향을 주는 것으로 밝혀졌습니다.
AMS-02에서는 우주선과 성간물질의 충돌에 의해 발생하는 양전자가 예측 이상으로 많이 관측되었는데 이것이 반드시 다크마터 유래의 것은 아닙니다. 가속하는 펄서가 고에너지로 피크에 도달하여 과도한 양전자를 생성할 수 있습니다.
과잉 양전자가 다크마터 유래인지 펄서 유래인지 판별하는 방법은 고에너지를 관측하여 에너지 스펙트럼의 감쇠가 급격한지 여부를 확인합니다. 에너지 스펙트럼의 감쇠가 급격한 경우는 다크마터, 완만한 경우는 펄서 유래라고 구별할 수 있는 모양.
또한 관측된 양전자를 생성하는 것이 펄서인 경우 이러한 양전자의 대부분은 우주선에 도달하기 전의 타이밍에 성간물질 중의 전자와 충돌하게 됩니다. 양전자는 전자와 충돌하면 사라지고 각 반응에서 매우 특수한 에너지 특징을 가진 감마선을 생성합니다.
그러나 펄서는 이론적으로 전자와 양전자를 매우 높은 에너지로 가속시킵니다. 이것은 세계에서 가장 강력한 지상 입자가속기인 대형 하드론 충돌형 가속기조차 전혀 도달할 수 없는 수준입니다. 또한 광자가 이러한 초가속 입자와 상호작용하면 역콤프턴 산란으로 알려진 공정을 통해 비정상적인 에너지로 부스트될 수 있다고 합니다.
NASA의 페르미 감마선 우주망원경의 등장에 의해 종래의 감마선 관측소와 비교해 공간분해능이나 에너지분해능이 대폭 향상되었습니다. 페르미 감마선 우주망원경은 현시점에서 세계에서 가장 세련된 감마선 관측장치로 지금까지 관측할 수 없었던 펄서 등도 상세하게 관측 가능합니다. 우주선에서 발생하는 감마선을 제거해 성간가스 구름과 충돌했을 때 발생하는 전자나 양전자와 상호작용하는 별의 빛으로부터 발생하는 잔류 신호의 수수께끼를 밝힐 수 있을 가능성도 있습니다.
2019년에 공개된 논문에서는 페르미 감마선 우주망원경의 관측 데이터와 AMS-02의 수집한 데이터를 분석하고 있습니다. 이 논문의 공동저자 중 한 명인 피오렌자 도너트 씨는 “저에너지 입자는 별의 빛에 부딪치고 에너지의 일부를 펄서로 옮겨 빛을 감마선으로 높이기 전에 펄서로부터 더 멀리 이동하는데 이것이 감마선의 방출이 더 낮은 에너지로 더 넓은 영역을 커버하는 이유"라고 설명했습니다.
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