우주 방사선

1. 개요[편집]

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Cosmic Ray ・ 宇宙 放射線

우주에서 끊임없이 지구로 날아오는 고에너지 입자로 된 방사선을 말한다. 먼 우주에서 일어난 초신성 폭발 등이 원인인 것으로 추정된다.

2. 상세[편집]

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우주에서 직접 날아오는 양성자 및 중간자를 1차 우주 방사선, 대기 속에 있는 분자와 충돌하여 이차적으로 생긴 전자와 양전자를 2차 우주 방사선이라고 한다. 알파선, 감마선 등도 있지만 90% 이상은 단일 양성자로 되어 있다. 개별 입자의 에너지는 모두 제각각이지만, 에너지가 높은 입자는 하나에 대략 1제타(10²⁰) 전자볼트 정도의 기가 막힌 수준의 고에너지를 가지고 있다.[1] 세계에서 가장 큰 입자가속기인 LHC에서 양성자를 가속해도 7테라 전자볼트 정도의 에너지를 주는 것이 한계이다.

태양풍과 지구자기장이 지구로 날아오는 우주 방사선의 강도를 상당히 낮추는 것으로 알려져 있으며, 최종적으로는 대기 중의 공기 분자와 충돌하여 반응하므로 지표면에서는 우주 방사선의 강도가 매우 약하다. 우주 방사선이 대기 중의 질소 원자와 충돌하면 탄소의 동위원소인 탄소-14를 만드는데, 이는 고고학에서 연대측정에서 사용된다.

아폴로 계획 음모론 중에서는 밴 앨런대에서 우주 방사선 피폭을 막으려면 70년대 기술로는 불가능한 수준의 방사능 차폐가 필요하다는 이야기가 있으나, 알파선은 종이로 베타선은 알루미늄막으로도 막을 수 있다는 간단한 사실로 논파된다.

2014년 7월 한국 연구진이 개발한 '대형 실리콘 전하량 검출기'가 국제우주정거장에 설치돼 NASA의 우주 방사선 관측 프로젝트에 활용된다는 소식이 전해졌다. 이 장치는 우주 방사선의 성분을 정밀 측정하게 된다.

3. 기타[편집]

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가끔 발생하는 컴퓨터나 인공위성 버그의 원인이 되기도 하며, 전자공학에서는 이를 단일 이벤트 뒤집기(Single-event upset)라고 부른다.

가장 유명한 사례로는 2013년에 한 마리오 64 스피드러너에게 일어났었던 일로, 갑자기 알 수 없는 버그가 발생해 마리오가 몇 단계나 되는 플랫폼을 스킵하고 위로 순간이동한 것이다. 커뮤니티에서는 이 버그를 재현하는 사람에게 1000달러(약 100만원)의 현상금을 수여하겠다고 했으나 누구도 할 수 없었다. 8년 후, 컴퓨터 공학자들은 닌텐도 64의 코드를 뜯어본 후 해당 버그는 특정 바이트값이 갑자기 변환되면서 높이값이 바뀌자 게임상의 마리오의 위치 역시 곧바로 변경되면서 발생한 것으로, 바이트값을 변환시킨 원인은 외계 우주에서 온 우주 방사선이라고 결론을 내렸고, 이는 현상금을 건 당사자가 직접 테스트함으로써 확인되었다.#

그나마 이런 사건은 애교에 불과하며, 가끔은 비행기에도 영향을 미쳐, 콴타스 72편 급강하 사고와 같은 생명을 위협하는 사건이 발생하기도 한다.

4. 오마이갓(OMG) 입자(Oh My God Particle)[편집]

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2014년 7월 초고에너지 우주 방사선이 큰곰자리의 북두칠성 근처에서 생성된다는 사실이 밝혀졌다. 2008년부터 5년간 초고에너지 우주 방사선 72개를 분석해 보니 그 중 19개가 그곳에서 나왔다는 것이다. 이 연구 결과는 초고에너지 우주 방사선이 특정 지역에서 형성됐음을 의미한다. 여기서 말하는 초고에너지란 300 엑사전자볼트[2]의 에너지를 가진 입자를 말하는 것으로, .22 LR 권총탄의 에너지가 140-170 줄 정도이다. 즉 에너지로만 따지면 맞아 죽을 수도 있을 정도인 것이다. 또한, 인류가 알고 있는 한 광속에 가장 근접한 속력을 갖고 있는 초고에너지 우주 방사선으로 유명하다. 에너지 크기가 너무 OMG스러워 실제로 OMG 입자(Oh My God Particle)이란 명칭으로 불린다.

넘사벽스러운 에너지 크기 때문에 붙은 이름이기도 하지만 이 입자에 OMG란 이름이 붙은 까닭은 이게 이론적으로 지구 상에 도달할 수 없는 입자라서 그렇다. 다음 반응식을 보자.

[math(\displaystyle \gamma + p \to \Delta^+ \to p + \pi^0)]
[math(\displaystyle \gamma + p \to \Delta^+ \to n + \pi^+)]

즉, 매우 높은 에너지를 가진 감마선은 양성자를 충분히 들뜨게 하여 위와 같은 반응을 일으킨다. 특히 이 반응은 감마선이 GZK 한계(GZK limit; Greisen–Zatsepin–Kuzmin limit) 혹은 그 이상의 에너지를 가질 때 일어난다. 이 한계는 대략 [math(5 \times 10^{19})] eV이고 성간 공간에는 비록 매우 옅긴 해도 양성자들이 깔려 있으므로, GZK 한계는 사실 상 너무 높은 에너지의 우주선이 지구로 도달할 수 없도록 하는 장벽 역할을 하는 셈이다. 그런데 문제는 그 한계를 넘는 에너지의 우주선이 지구 상에서 발견됐다는 것이다. 그야말로 충공깽스러운, 혹은 영어로 OMG이라고 할 상황이었다. 그래서 해당 이름이 붙었고, 여전히 고에너지 천문학의 미스터리로 남아있다.

이에 대한 가설은 3가지가 있는데, 하나는 단순히 측정 오류라는 것과, 다른 하나는 생각보다 가까운 곳에 고에너지 우주선을 방출하는 근원이 있어서 반응하기 전 지구까지 올 수 있었다는 것, 마지막으로는 가벼운 양성자같은 입자가 아니라 고속으로 가속된 중금속 등 무거운 입자라는 것이다.

2014년 10월에는 스마트폰으로 OMG 입자와 같은 고에너지 입자를 측정하는 프로젝트가 발족되기도 하였다. 카메라의 CMOS센서를 기반으로, 고에너지 입자가 CMOS를 때릴때 나오는 노이즈를 분석하여 서버로 보내는 방식이다. 2018년 5월에 안드로이드 기반으로 Google play스토어에 출시했고, 설정 범위가 넓으며 인터페이스도 개선된 두번째 버전의 앱을 2019년에 출시했다.

5. 아마테라스 입자(Amaterasu particle)[편집]

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2021년 5월 27일 미국 유타대학교와 일본 도쿄 대학교가 주도하는 공동 연구단은 유타주 서부 사막의 델타 외곽에 위치한 입자검출기로 에너지가 244EeV(약 40J)에 달하는 고에너지 우주선을 포착했다. 연구진에 의하면 1991년 오마이갓 입자가 포착된 이후로 텔레스코프 어레이에는 30개 이상의 고에너지 우주선이 관측되었지만 에너지 수준이 오마이갓이나 아마테라스에 근접한 것은 한 건도 없었다고 한다. 오마이갓 입자의 320EeV에 비하면 244EeV로 에너지의 수준은 상대적으로 낮지만 이 역시 우주선의 에너지 한계에 대해 다루는 현대 물리학의 이론인 그레이젠-자트세핀-쿠즈민 한계의 아무리 강력한 우주선도 이론적 한계인 50EeV(8J)[3]를 넘을 수 없다는 점에 위배되기 때문에 화제가 되었다.

2021년 1월 기준으로 1000만번 넘게 입자가 관측되었다. 관측 기록은 여기에서 볼 수 있다.