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과학자들이 저에너지 전자가 우주에서 빛의 속도에 가깝게 가속되는 '천연 입자가속기' 원리를 규명했다.
사바스 랩티스 미국 존스홉킨스대 응용물리학연구소 연구원과 아마드 랄티 영국 노섬브리아대 수학·물리학 및 전기공학과 연구원 공동연구팀이 우주에서 어떻게 전자가 빛의 속도에 가깝게 가속되는지 설명하는 새로운 모델을 제시했다. 연구결과는 13일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.
아인슈타인의 '특수상대성 이론'에 따라 물질은 빛의 속도에 가까워지면 시간이 느리게 흐르는 등 '상대론적 현상'을 실매물 일으킨다. 천체물리학에서는 우주에 있는 전자가 어떻게 빛의 속도에 가까운 상대론적 에너지 수준까지 가속되는지 명확히 설명하는 것이 오랜 과제다.
전자가 극도로 가속돼 우주선(cosmic ray)이 생성되는 메커니즘을 '페르미 가속(Fermi acceleration)' 또는 '확산충격가속(DSA)'이라고 한다. 전자가 일정 수준 이상으로 주민등본 가속되면 DSA 메커니즘에 따라 효율적으로 가속된다는 사실이 알려져 있지만 낮은 수준부터 임계까지 에너지를 얻는 '주입' 과정은 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 고에너지 입자와 방사선 등이 방출되는 태양풍이 지구 자기장과 부딪쳤을 때 일어나는 전자의 변화에 주목했다. 지구 자기장과 태양풍의 상호작용을 측정하는 미국 항공우주국(NASA 육아비법 )의 지구자기권 다중스케일(MMS) 위성 임무와 달 주변의 플라즈마 환경을 연구한 테미스-아르테미스(THEMIS-ARTEMIS) 임무에서 수집한 데이터를 활용했다.
분석 결과 태양풍이 지구 자기장에 부딪혀 발생하는 활 모양 충격파(bow shock) 부분에서 여러 플라즈마 파동이 상호작용하면서 낮은 에너지의 전자를 효율적으로 가속시켰다. 천안 임대아파트
상호작용 과정에서 일부 전자는 500keV(킬로전자볼트) 에너지 수준까지 가속되는 것으로 확인됐다. 500keV는 지구의 입자가속기 환경에서 저에너지와 고에너지를 가르는 경계 수준에 해당하는 에너지다.
연구결과는 DSA 모델을 개선해 우주 플라즈마의 작동 방식과 우주의 에너지 전달 과정에 대한 새로운 통찰을 제공할 스마트폰개통조회 것으로 기대된다. 연구팀은 "기본적인 (입자 가속) 과정은 태양계뿐 아니라 다른 항성계, 초신성 잔해 등 우주 전역에서 일어날 것으로 예상된다"고 설명했다.
연구팀은 "우주에 대한 이해를 넓히는 효과적인 방법은 지구 근처의 플라즈마 환경을 자연 실험실로 활용하는 것"이라고 밝혔다.
<참고 자료> - doi.org/10.1038/s41467-024-55641-9 
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]