1LHAASO J1852+0050u: GeV-100TeV Gamma-ray emission Powered by Star-forming Region?

지구 높은 곳, 티베트 고원의 희박한 공기 속에서 거대한 센서 배열이 비범한 무언가를 기다리고 있습니다. 이 센서들은 LHAASO로 알려진 대규모 고고도 공중 샤워 관측소의 일부로, 우주에서 가장 강력한 입자들의 희미하고 찰나적인 흔적을 포착하도록 설계되었습니다. 이 입자들은 우주선(cosmic rays)이라 불리는 것으로, 빛의 속도에 가깝게 이동하는 원자핵입니다. 거의 한 세기 동안, 과학자들은 이 입자들이 어디에서 그 놀라운 속도를 얻는지 궁금해해 왔습니다. 일부는 죽어가는 별들의 격렬한 폭발에서 기인한다는 것이 알려져 있지만, 우리가 가진 가장 강력한 입자 가속기가 만들어낼 수 있는 에너지보다 백만 배나 더 높은 에너지에 도 de 도달하는 가장 강력한 입자들은 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 이러한 "페브라트론(PeVatrons)", 즉 입자를 이토록 극단적인 에너지까지 가속할 수 있는 대상을 찾는 것은 현대 천문학의 위대한 탐구 중 하나이며, 이는 마침내 고에너지 우주를 움직이는 엔진을 밝혀내는 일이 될 것입니다.

최근의 한 연구에서, 연구진은 독수리자리 방향의 특정 하늘 구역에 주목했습니다. 그곳에는 신비로운 고에너지 감마선원이 발견되었습니다. 1LHAASO J1852+0050u라는 이름으로 분류된 이 광원은 100조 전자볼트를 초과하는 에너지에서 검출된 거대하고 확산된 복사 에너지의 빛입니다. 퍼즐은 무엇이 이 빛을 만들어내느냐는 것이었습니다. 이 지역은 두 개의 폭발한 별의 잔해와 '펄서'라고 알려진 빠르게 회전하는 중성자별을 포함하여 이미 알려진 천체들로 붐비고 있습니다. LHAASO 협력 연구진이 이끄는 팀은 이 익숙한 천체들 중 하나가 범인인지, 아니면 더 이색적인 무언가가 작용하고 있는 것인지 알아내기 위해 나섰습니다.

이 미스터리를 풀기 위해 과학자들은 여러 망원경의 데이터를 결합했습니다. 그들은 LHASO의 4년간의 관측 데이터를 재검토하여 고에너지 감마선의 상세한 지도를 확보했고, 이를 더 낮은 에너지의 감마선을 관측하는 페르미-LAT 위성의 16년 치 데이터와 결합했습니다. 또한, 별들이 탄생하는 밀도 높은 가스와 먼지 구름의 존재를 드러낼 수 있는 라디오 망원경을 사용하여 해당 지역의 보이지 않는 분자 가스를 조사했습니다. 이 서로 다른 관점들을 하나로 엮음으로써, 연구진은 주변 천체들의 눈부신 빛으로부터 주요 광원의 희미한 신호를 분리해 낼 수 있었습니다. 그들은 감마선 빛이 하나의 점이 아니라 새로운 별들이 북적이는 보육지와 겹쳐져 있는 확장된 영역이라는 것을 발견했습니다.

팀이 고려한 첫 번째 용의자는 약 20만 년 동안 회전해 온 밀도가 높은 회전하는 별인 중년 펄서였습니다. 펄서는 감마선을 방출할 수 있는 고에너지 입자 구름을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 연구진이 이 특정 펄서가 관측된 양만큼의 에너지를 생성할 수 있는지 확인하기 위해 시뮬레이션을 실행했을 때, 수치가 일치하지 않았습니다. 이 펄서는 LHAASO가 관측한 밝고 높은 에너지의 빛을 설명하기에는 에너지가 턱없이 부족했습니다. 연구진은 인근의 폭발한 별의 잔해들도 살펴보았으나, 거리와 해당 지역의 특정 가스 유형을 고려할 때 이들이 주요 근원일 가능성은 배제되었습니다. 증거는 이러한 격렬한 폭발적 기원으로부터 멀어지고 있었습니다.

대신, 데이터는 더 지속적이면서도 똑같이 격렬한 과정, 즉 거대한 별들의 탄생를 가리켰습니다. 감마선원은 별 형성을 위한 원료인 밀도 높은 분자 가스 구름 바로 위에 위치해 있습니다. 이 구름 안에는 현재 거대한 별들이 태어나고 있는 특정 지역인 G34.26+0.15가 존재합니다. 연구진은 페르미 위성이 검출한 저에너지 감마선이 젊은 형성 중인 별들의 위치와 일치하며, LHAASO가 검출한 최고 에너지 감마선은 동일한 성단 내에 있는 거대하고 완전히 성숙한 별들의 존재와 일치한다는 것을 발견했습니다.

과학자들은 이 복사에 대해 두 단계의 설명을 제안합니다. 그들은 저에너지 감마선이 젊은 형성 중인 별들의 강력한 제트와 유출물에 의해 가속된 양성자에 의해 생성된다고 제안합니다. 이 젊은 별들은 여전히 질량을 모으고 있으며, 이들의 에너지 넘치는 활동은 주변 가스를 휘저어 입자들을 빠른 속도로 가속시킵니다. 100조 전자볼트에 달하는 훨씬 더 높은 에너지의 감마선은 아마도 같은 성단 내에 있는 더 거대한 성체 별들의 더욱 강력한 항성풍에 의해 생성될 것입니다. 이 거대한 별들은 물질을 엄청난 속도로 우주로 불어내며, 이는 입자들을 관측된 복사를 생성할 만큼 극단적인 에너지까지 가속할 수 있는 충격파를 만들어냅니다.

연구는 이 별 형성 영역이 이전에 가장 격렬한 폭발의 영역으로만 생각되었던 에너지 수준까지 우주선을 끌어올릴 수 있는 자연적인 입자 가속기인 "페브라트론"일 가능성이 높다고 결론짓습니다. 연구진은 이 성단이 20개에서 200개 사이의 거대한 별들을 포함하고 있으며, 이들의 결합된 항성풍이 필요한 에너지를 공급하여 이 고에너지 방출을 유지한다고 추정합니다. 연구진이 이 지역에 숨겨진, 보이지 않는 다른 펄서의 존재를 완전히 배제할 수는 없지만, 증거는 별 형성 영역이 지배적인 엔진이라는 점을 강력하게 뒷받침합니다. 이 발견은 우주선에 대한 우리의 이해에 새로운 장을 열어주며, 별이 탄생하는 혼란스럽고 에너지 넘치는 보육지가 별의 파괴적인 죽음만큼이나 우주에서 가장 강력한 입자들을 만들어낼 수 있음을 시사합니다.