전파도 X선도 없다… 감마선으로 찾은 '숨은 펄서'

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지구에서 관측 가능한 천체는 제한적이다. 망원경이나 전파망으로도 확인되지 않는 천체들이 존재하며, 이를 추적하기 위해 과학자들은 다양한 간접 관측 방식을 개발해왔다. 대표적인 예 중 하나가 펄서다.

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펄서는 초신성 폭발 이후 형성된 중성자별로, 이는 태양보다 무거운 별이 생을 마치며 폭발한 뒤 남는, 매우 작고 밀도가 높은 천체다. 펄서는 빠르게 회전하면서 강한 자기장을 따라 주기적인 전파나 X선을 방출한다. 고에너지 입자의 원천으로, 우주에서 지구로 날아드는 입자(우주선)의 발생과도 연관돼 있어 중요한 연구 대상으로 여겨진다.

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다만, 이 신호는 특정 방향으로만 방출되기 때문에 지구 방향과 맞지 않으면 관측되지 않는다. 이를 보완하기 위해, 연구자들은 펄서 자체가 아니라 주변 공간에 형성되는 고에너지 감마선 분포를 분석해 존재를 추정하는 방식을 사용하고 있다.

 

 

 

TeV 감마선 헤일로에 둘러싸인 중년 펄서의 모습을 묘사한 이미지 [사진=Sciece Wave]

 

 

그중 하나가 ‘TeV 헤일로’다. 이는 테라전자볼트(TeV) 수준의 감마선이 천체 주변에 넓게 퍼지면서 형성되는 방사 구조다. TeV는 일반 X선보다 훨씬 강한 에너지로, 격렬한 입자 활동에서만 발생한다. 이 구조는 일반적인 광학이나 전파 관측으로는 감지할 수 없으며, 특수한 감마선 검출 장비를 통해 확인할 수 있다.

최근 연구에서는 이 TeV 헤일로가 나이가 10만 년에서 100만 년 사이인 중년기 펄서 주변에서 반복적으로 나타난다는 사실이 확인됐다.

 

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기존 방식으로는 보이지 않는 펄서

펄서는 초신성 폭발 이후 남은 중성자별로, 강한 자기장과 빠른 자전을 통해 전파나 X선을 방출한다. 대부분의 펄서는 이 신호를 통해 존재가 확인된다. 하지만 모든 펄서가 관측되는 것은 아니다. 신호가 약하거나 지구 방향으로 향하지 않으면 탐지되지 않는다.

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이러한 한계를 보완하기 위해, 멕시코 시에라 네그라 화산에 위치한 HAWC(High-Altitude Water Cherenkov) 감마선 관측소에서는 펄서가 아닌 그 주변 공간에서 나타나는 고에너지 감마선을 대상으로 분석을 진행했다.

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연구팀은 HAWC 관측소에서 약 6년 동안 수집한 감마선 데이터를 기반으로, 중년 펄서 수십 개의 주변 감마선 분포를 개별적으로 분석했다. 이후 이 데이터를 통계적으로 통합해 공통된 신호가 있는지를 확인했다.

 

 

 

감마선 대역에서 본 은하수 평면 이미지 위에 HAWC 관측소 위치가 표시된 모습 [사진=Jordan A. Goodman]

 

 

반복적으로 나타나는 감마선 구조

분석 결과, 여러 펄서 주변에서 유사한 형태의 TeV 감마선 확산 구조가 나타났다. 이는 TeV 헤일로가 일부 천체에만 관측되는 특수한 현상이 아니라, 중년기 펄서에서 일반적으로 발생하는 현상일 가능성을 보여준다.

연구에 참여한 사라 쿠티뇨 데 레온 박사는 “여러 개의 중년 펄서에서 일관된 감마선 패턴이 관측됐고, 이는 개별 사례가 아니라 통계적 경향으로 볼 수 있다”고 밝혔다.

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고에너지 입자 확산 모델에 대한 검토

 

TeV 헤일로는 고에너지 입자가 생성된 후 주변 공간으로 확산되는 과정을 반영한다. 이 입자들은 펄서에서 방출된 전자와 양전자이며, 주변의 자기장 및 복사장과 상호작용하며 감마선을 방출한다.

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현재까지의 은하계 입자 확산 모델은 대부분 이상적인 조건을 가정하고 있다. 그러나 이번에 관측된 TeV 헤일로의 분포와 강도는 기존 모델과 차이가 있으며, 입자 확산 속도나 거리, 방향성에 대한 변수들이 다시 검토될 필요가 있다.

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감마선 천문학의 관측 대상 확장

이번 분석은 감마선을 이용해 기존 관측 방식으로는 확인할 수 없던 천체를 추적할 수 있음을 보여준다. 전파나 X선 신호가 없는 펄서라도, 주변에 형성된 TeV 헤일로를 통해 간접적으로 존재 여부를 확인할 수 있다.

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향후 연구는 개별 TeV 헤일로의 크기, 밀도 분포, 에너지 스펙트럼 등을 정밀하게 분석해 고에너지 입자 생성 및 확산 과정의 세부 메커니즘을 파악하는 데 중점을 둘 예정이다. 이와 함께 은하계 자기장 구조와 우주선 기원 분석에도 활용될 수 있다.

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이번 결과는 감마선 기반 간접 탐지 방식을 통해 천체 탐색 범위를 확장할 수 있음을 보여준다. 펄서 탐지 방식이 다양화되면서, 기존에 파악되지 않았던 천체 분포와 은하계의 고에너지 환경에 대한 이해도 함께 넓어지고 있다.

 

 

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