우주선샤워의 비밀은 무엇일까? 이 비밀이 밝혀지면 물리학은 새롭게 시작해야 될 것이다.
최근 우주선의 하나인 감마(γ)선에 관한 새로운 사실이 밝혀져 물리학계를 술렁이게 하고 있다. 미국 뉴멕시코주 '로스알라모스'연구소의 우주물리학자들이 4백일간 우주공간을 관측한 후, 집약한 3가지 가정이 물질과 에너지에 대한 기본개념마저 흔들어 놓고 있는 것이다.
1년전 로스알라모스의 '내글'박사를 비롯한 연구팀은 망원경을 통해 감마선이 지구를 향해 내려오면서 여러 소립자를 생산하는 과정을 지켜보고 있었다. 소립자 중에는 지금까지 감마선의 충격으로 인해 생기는 것으로 알려진 전자와 그 반물질인 양전자가 대부분이었다.
그런데 여기서 예기치 않은 소립자가 관찰되었다. 뮤온입자들이었다. 또 우주선이 소나기처럼 퍼지느 우주선샤워(shower)가 감마선이 아닌 물질에 의해 진행 된다는 놀라운 사실도 알아냈다. 요컨대 우주선샤워는 파동으로서의 감마선이 원자에 충돌해 생긴게 아니라 미지의 물질과 원자가 충돌, 발생한다는 것.
가슴이 두근거렸지만 그들은 발표를 서둘지 않았다. 좀더 확실한 증거를 찾아내기 위해 1년이상 발표를 유보했던 것.
마침내 그들은 자신들의 관찰을 뒷받침해 줄 3가지 가능성을 제시했다. 첫째 높은 에너지 상태의 감마선이 마치 물질처럼 작용할지도 모른다고 추측했다. 또 질량이 거의 없거나 아예 없다고 믿어졌던 중성미자(neutrino)가 실제로는 질량을 가지고 있고, 이중성미자가 원자와 충돌, 우주선 샤워를 일으켰을 가능성도 있다고 보았다. 뿐만아니라 현재까지 알려진 바 없는 전혀 새로운 소립자가 작용했을 가능성도 배제하지 않고 있다.
우주선샤워는 지금까지 우주 높은 곳에서 입자나 감마선이 원자를 깨뜨림으로써 생성되는 것으로 알려져 있다. 이 충돌은 높은 에너지를 가진 전자와 양전자를 생산하게 되는데 지구에 가까워 오면서 입자들은 더욱 가속, 수많은 감마선, 양전자, 전자가 지표를 뒤덮게 된다는 것이다. 이는 또한 우주선 즉 감마선이 지표에 도달하는 과정이기도 하다.
물론 감마선은 우주선 전체에서 차지하는 비율이 극히 미미하다, 총 우주선의 1% 미만에 불과한 것이다. 우주선의 주류는 수소원자의 핵인 양자(proton). 그런데 양자는 양전하를 띠고 있어 우주에 형성된 자기장에 의해 영향을 받는다. 즉 진행방향이 굽게 되며 지구에 도달하려면 수백만년의 '우주여행'을 해야먄 한다. 따라서 우주선인 양자는 그것이 어디 '출신'인지 어떻게 형성되었는지 알 길이 없다.
반면 감마선은 전하가 없어 우주공간 내에서 직진한다. 그러므로 그 기원과 생성방법등이 비교적 명확해 우주물리학자들에게는 더없는 관측자료가 되는 것이다.
양자건 감마선이건 우주선은 쌍성(雙星)체제속에서 발생한다. 적어도 두 별이 있어야만 우주선이 생길 수 있다는 얘기다. 게다가 그중 한 별은 반드시 중성자성(neutron star)이어야 한다는 제약이 있다.
로스알라모스연구팀의 발견도 두 별을 관찰하는 과정에서 얻어졌다. 백조좌의 별(Cygnus X-3)과 허큘리스좌의 별(Hercules X-1)을 86년 7월~87년 7월까지 주의깊게 본 부산물이었던 것. 이 두별은 그동안 30분씩 2번 감마선의 폭발이 있었다. 폭발후 10번의 우주선샤워가 있었는데, 이는 통계학적으로 예측되었던 2.6번보다 훨씬 빈번한 것이었다.
