"유령 같은" 중성미자는 이전과는 전혀 다른 방식으로 우리 은하수를 볼 수 있도록 도와줍니다.

1923년, 프랑스 작가 마르셀 프루스트(Marcel Proust)는 7권으로 구성된 서사시 『과거의 기억』의 다섯 번째 책을 출판했습니다. 그 책에서 그는 시간이 지나면서 “진정한 발견의 항해는… 새로운 풍경을 찾는 것이 아니라 새로운 눈을 갖는 것”이라고 바꿔 표현한 구절을 썼습니다. 이것은 천문학자들이 오랫동안 알고 있던 메시지이며, 최근 새롭고 독특한 은하계 사진 발표를 통해 다시 한번 입증되었습니다. 이 이미지는 우리 은하 환경을 이해하는 완전히 다른 방식을 열어줍니다.

아주 먼 옛날부터 천문학자들은 선사 시대의 맨눈으로 망원경을 사용하기 시작한 1610년까지 전자기 스펙트럼을 이용해 하늘을 관찰해 왔습니다. 그 뒤를 이어 1932년에는 전파가, 1960년대에는 감마선이 이어졌습니다. 그러나 전자기 방사선(입자 형태가 광자임)만이 성간 공간을 통과할 수 있는 것은 아닙니다. 또 다른 메신저는 일부 유형의 핵붕괴에서 방출되는 입자인 수수께끼의 중성미자입니다.

연구원들은 IceCube 탐지기를 사용하여 깊은 우주에서 나오는 매우 활동적인 중성미자를 찾았습니다. IceCube는 거대합니다. 남극에 위치한 1입방킬로미터의 얼음으로 구성되어 있습니다. 우주에서 온 중성미자는 대기를 통과하여 얼음 속에서 상호작용합니다. 이러한 상호 작용은 많은 에너지를 축적하며, 이는 매우 짧은 수명의 빛 깜박임으로 변환됩니다. 연구자들은 다양한 깜박임 패턴을 사용하여 원래 중성미자가 나온 방향을 알아낼 수 있습니다.

이번 측정은 매우 어려웠습니다. 중성미자는 핵 반응에서 방출되며, 근처의 가장 큰 원자로는 태양입니다. 실제로 모든 별은 중성미자를 방출하지만 별에서 방출되는 중성미자의 에너지는 IceCube 감지기가 찾고 있는 것보다 훨씬 낮은 경향이 있습니다. 그러나 저에너지 중성미자가 검출되는 비율은 고에너지 중성미자보다 훨씬 높았다. 고에너지 신호를 찾아내려면 10년 간의 데이터와 고급 AI 기술이 필요했습니다.

노력의 결과로 우주에서 약 60,000개의 고에너지 중성미자가 포함된 데이터 세트가 탄생했습니다. 중성미자는 천체에서 방출되기 때문에 연구자들은 고에너지 중성미자의 가장 빈번한 공급원이 은하수 평면에 있을 것으로 예상했고, 그것이 바로 그들이 발견한 것입니다.

은하계 고에너지 중성미자가 생성되는 과정은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 별, 초신성 또는 기타 천문학적 물체 내부에서 직접적으로 발생하지 않는 것으로 생각됩니다. 대신에 천문학자들은 감마선이 그 근원이라고 생각합니다. 감마선은 매우 높은 에너지 형태의 전자기 방사선으로 X선보다 훨씬 강력합니다. 이는 매우 뜨겁고 무거운 별뿐만 아니라 블랙홀을 둘러싼 극도로 뜨거운 가스에서도 방출됩니다.

이 감마선은 우주를 날아다니며 때때로 별 사이를 떠다니는 수소 가스와 상호 작용합니다. 감마선과 수소 핵 사이의 상호작용이 아이스큐브(IceCube)에서 관찰한 유형의 고에너지 중성미자를 생성하는 것으로 믿어집니다.

연구자들은 이 가설을 테스트한 결과 대략적으로 사실인 것으로 나타났습니다. 가장 강력한 감마선과 고에너지 중성미자는 우주의 같은 위치에서 나오는 것 같습니다. 그러나 증거는 확정적이지 않습니다. 천문학자들은 감마선의 기원을 매우 정확하게 결정할 수 있지만 중성미자에 대해서는 동일한 정밀도를 달성하지 못했습니다. IceCube에서 고에너지 중성미자가 검출되면 중성미자의 원래 이동 방향은 약 5도 정도의 정확도로만 확인할 수 있습니다. 이는 감마선과 중성미자 방출원 사이의 대략적인 상관관계를 확립하는 데 충분합니다.

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연구자들이 잘 알려진 은하계 감마선 방출 패턴을 사용하여 예상되는 고에너지 중성미자 생성 속도를 예측할 때 예상보다 더 많은 중성미자가 감지된다는 사실을 발견했습니다. 이러한 불일치는 천문학자들의 관심을 끌었는데, 그들은 예상치 못한 과도한 고에너지 중성미자가 어디에서 오는지 이해하려고 노력하고 있기 때문입니다.