초고에너지 우주선

천체입자물리학에서 초고에너지 우주선(ultra-high-energy cosmic ray, UHECR)은 운동 에너지가 1 × 1018 eV 이상으로 불변 질량이 평소의 일반적인 우주선보다 매우 높은 자유에너지를 가진 우주선을 뜻한다. 극초고에너지 우주선(extreme-energy cosmic ray, EECR)은 운동 에너지가 그레이젠-자체핀-쿠츠민 한계(GKZ 한계)를 넘어선 5 × 1019(8 J) eV 이상의 에너지를 가진 UHECR를 말한다. 이 한계는 대략 1억 6천만 광년 정도를 여행한, 먼 거리에서 온 우주선 입자가 가진 최대 에너지 한계로 고에너지 우주선 입자가 우주 마이크로파 배경 광자의 산란으로 오는 동안 최소한의 에너지를 잃고 남은 에너지이다. EECR은 초기 우주에서 온 입자라고 말할 수는 없으나 우주론적으로 굉장히 "젊은" 편에 속한 것이라 할 수 있으며, 알려지지 않은 물리학적 과정을 통해 처녀자리 초은하단에서 방출하여 여행한 것으로 추정된다. 이 입자를 관측하기란 매우 힘들다. 2004년부터 2007년 사이 피에르 아우거 관측소(PAO)에서 5.7 × 1019 eV를 넘는 에너지를 가진 입자를 발견한 횟수가 총 24건이며,천문대가 관측중인 3000 km2의 영역에서 매 4주마다 한번씩 일어나는 꼴이다. 이러한 초고에너지 우주선의 관측은 UHECR이 대부분의 우주선과 같은 광자가 아닌 철 입자핵일 가능성을 보여주기도 한다. EECR이 방출된 곳이라고 추측하는 기원의 이름은 로런스 버클리 국립연구소의 베바트론(Bevatron)과 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론(Tevatron)의 이름을 따 제바트론(Zevatrons)으로 이름붙여졌으며, 이름 그대로 입자를 1 ZeV (1021 eV)로 가속시킬 수 있을 것이라 추측한다. 2004년엔 상대론적 제트 내부의 충격파로 인한 입자 가속으로 이 제트가 "제바트론" 역할을 할 것이라는 가설이 세워졌다. 특히 이 모델에서는 우리은하 근처의 M87 은하 내 상대론적 제트가 철 원자핵을 ZeV 단위로 가속시킬 수 있을 것이라고 주장했다. 2007년에는 PAO에서 EECR이 가까운 은하의 중심인 활동은하핵에 있는 초대질량 블랙홀에서 방출되었을 가능성에 대해 논의했다. 또한, 극도로 높은 에너지를 활동은하핵 자기권 내의 원심성 가속구조를 통해서도 설명할 수 있다. 하지만 여러 연구 결과에서는 우주선의 40% 미만이 활동은하핵에서 나왔다는 결과가 나오면서, 상관관계가 적다는 사실이 나왔다. 그립과 파블로프(2007, 2008)는 매우 무거운 암흑 물질들이 펜로즈 과정을 통해 붕괴되면서 방출되었을 것이란 설을 내놓았다. 1962년 미국 뉴멕시코주의 볼케이노 렌치 실험장에서 존 린슬레이와 리비오 스카르시가 처음으로 에너지가 1.0×1020 eV(16J)이 넘는 우주선을 관측했다. 이후에도 이보다 더 높은 운동 에너지를 가진 우주선 입자를 관측해기도 했다. 1991년 10월 15일 저녁 미국 유타 주의 더그웨이 성능 시험소에서 플라이아이 실험 중 발견한 오마이갓 입자가 그 예시다. 이 입자가 가진 에너지는 3×1020 eV(50J)로 천체물리학자들에게 충격을 주었다. 이 원자핵이 가진 에너지는 125g 야구공이 100km/h로 날라갈 때 가지는 에너지와 비슷하다. 이 입자가 가진 에너지는 지금까지 입자 가속기로 가속된 가장 높은 에너지를 가진 양성자보다 4천만배 더 많은 에너지를 가졌다. 은하외 우주선 오마이갓 입자 Watson, L. J.; Mortlock, D. J.; Jaffe, A. H. (2011년). “A Bayesian analysis of the 27 highest energy cosmic rays detected by the Pierre Auger Observatory”. 《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》 418 (1): 206–213. arXiv:1010.0911. Bibcode:2011MNRAS.418..206W. doi:10.1111/j.1365-2966.2011.19476.x.  Hand, E (2010년 2월 22일). “Cosmic-ray theory unravels”. 《Nature》 463: 1011. doi:10.1038/4631011a. PMID 20182484.  Honda, M.; Honda, Y. S. (2004년). “Filamentary Jets as a Cosmic-Ray "Zevatron"”. 《The Astrophysical Journal Letters》 617: L37–L40. arXiv:astro-ph/0411101. Bibcode:2004ApJ...617L..37H. doi:10.1086/427067.  The Pierre Auger Collaboration; Abreu; Aglietta; Aguirre; Allard; Allekotte; Allen; Allison; Alvarez; Alvarez-Muniz; Ambrosio; Anchordoqui; Andringa; Anzalone; Aramo; Argiro; Arisaka; Armengaud; Arneodo; Arqueros; Asch; Asorey; Assis; Atulugama; Aublin; Ave; Avila; Backer; Badagnani; 외. (2007년). “Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects”. 《Science》 318 (5852): 938–943. arXiv:0711.2256. Bibcode:2007Sci...318..938P. doi:10.1126/science.1151124. PMID 17991855.  “Osmanov Z., Mahajan S., Machabeli G. & Chkheidze N. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 445, Issue 4, p.4155-4160” (PDF). 2019년 2월 16일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2017년 4월 28일에 확인함.  Linsley, J. (1963년). “Evidence for a Primary Cosmic-Ray Particle with Energy 1020 eV”. 《Physical Review Letters》 10 (4): 146–148. Bibcode:1963PhRvL..10..146L. doi:10.1103/PhysRevLett.10.146.  Sakar, S. (2002년 9월 2일). “Could the end be in sight for ultrahigh-energy cosmic rays?”. 《Physics World》. 23–24쪽. 2010년 4월 12일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 7월 21일에 확인함.  Baez, J. C. (2012년 7월). “Open Questions in Physics”. DESY. 2014년 7월 21일에 확인함.  Elbert, J. W.; Sommers, P. (1995년). “In search of a source for the 320 EeV Fly's Eye cosmic ray”. 《The Astrophysical Journal》 441 (1): 151–161. arXiv:astro-ph/9410069. Bibcode:1995ApJ...441..151E. doi:10.1086/175345.  Clay, R.; Dawson, B. (1997년). 《Cosmic Bullets: High Energy Particles in Astrophysics》. Perseus Books. ISBN 0-7382-0139-1.  Seife, C. (2000년). “Fly's Eye Spies Highs in Cosmic Rays' Demise”. 《Science》 288 (5469): 1147–1149. doi:10.1126/science.288.5469.1147a. PMID 10841723.  The Pierre Auger Collaboration; Abreu; Aglietta; Aguirre; Allard; Allekotte; Allen; Allison; Alvarez; Alvarez-Muniz; Ambrosio; Anchordoqui; Andringa; Anzalone; Aramo; Argiro; Arisaka; Armengaud; Arneodo; Arqueros; Asch; Asorey; Assis; Atulugama; Aublin; Ave; Avila; Backer; Badagnani; 외. (2007년). “Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects”. 《Science》 318 (5852): 938–943. arXiv:0711.2256. Bibcode:2007Sci...318..938P. doi:10.1126/science.1151124. PMID 17991855.  The Highest Energy Particle Ever Recorded Archived 2009년 8월 15일 - 웨이백 머신 The details of the event from the official site of the Fly's Eye detector. John Walker's lively analysis of the 1991 event, published in 1994 Origin of energetic space particles pinpointed, by Mark Peplow for news@nature.com, published January 13, 2005. Ultra High Energy Cosmic Rays Ritzian relativity in action?