과학자들은 마침내 우리은하에서 양성자를 우리은하에서 가장 눈을 사로잡는 에너지로 던지는 근원을 찾아냈다. 이 발견은 우주선(cosmic rays)을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 우주선은 별들 사이를 빠르게 이동하며 은하계 전체에 소란을 일으키는 초고속 입자들이다.

우주선은 대부분 양성자이며, 약간의 전자가 섞여 있다. 그중 일부는 우리 인간이 만든 가속기로는 도저히 따라잡을 수 없는 힘을 지니고 있다. 스위스-프랑스 국경에 있는 대형 강입자 충돌기(LHC)는 양성자를 빛의 속도에 가깝게 만들 수 있지만, 자연의 가속기는 우리를 압도하는 것 같다.

히로시마 대학이 이끄는 국제 팀은 지구와 우주에 있는 세 개의 주요 관측소의 관측을 결합하여 은하계 가속기를 확인했다. 결과는 2026년 7월 16일 《천체물리학 저널》에 게재되었다.

"이 엄청난 에너지는 우주선을 천문학과 천체물리학에서 중요하게 만든다"고 히로시마 대학 히로시마 천체물리 과학 센터의 부교수이자 이 연구의 제1저자이자 교신저자인 미즈노 쓰네후미가 말했다.

우주선 에너지는 전자 볼트(eV)로 측정되는데, 이는 전자의 전위가 1볼트 증가할 때 얻는 에너지이다. 최상위 은하계 우주선은 1천조(10^15) 전자 볼트, 즉 페타 전자 볼트(PeV)에 도달하거나 초과할 수 있다. 그 PeV 수준 이상의 우주선 양성자 가속기, 즉 양성자 PeVatron을 찾는 것은 현대 천체물리학에서 가장 뜨거운 관심사 중 하나이다. 그리고 그들은 하나를 찾았다: 이전에 LHAASO J1912+1014u로 알려진 천체.

양성자 PeVatron은 양성자를 PeV 임계값을 넘어 밀어내는 자연적인 우주 가속기이다. 이러한 천체를 찾는 것은 까다로운데, 과학자들은 양성자 신호를 초고에너지 전자의 신호와 구분해야 하기 때문이다.

티베트 AS 감마 실험(1990년부터 일본-중국 공동 노력)과 중국의 대형 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)는 0.1 PeV 이상의 감마선 소스를 수십 개 감지했다. 그중 하나가 LHAASO J1912+1014u였다. 감마선은 전자기 복사 중 가장 에너지가 높은 형태로, 종종 우주선 입자가 주변 환경과 충돌할 때 생성되며, 그 에너지는 일반적으로 이를 생성한 우주선 에너지의 약 10분의 1이다. 따라서 PeV 범위 미만의 감마선을 생성하는 소스는 유력한 PeVatron 후보이다. 초기 연구는 LHAASO J1912+1014u가 펄서 바람 성운 또는 거대한 별의 폭발로 인한 잔해일 수 있다고 제안했다.

"그러나 티베트 AS 감마와 LHAASO 실험의 데이터만으로는 양성자 PeVatron을 명확히 식별할 수 없습니다. PeV 우주선 전자도 더 낮은 에너지의 감마선을 생성할 수 있기 때문입니다"라고 미즈노는 말했다. 제한된 이미지 해상도로 인해 연구자들은 감마선 뒤에 양성자가 있는지 전자가 있는지 알 수 없었다.

그때 구원투수가 등장했다: 페르미 대면적 망원경(Fermi-LAT, NASA 주도 임무에 히로시마 대학 참여), 노베야마 45m 망원경을 이용한 FUGIN(FOREST Unbiased Galactic plane Imaging survey, 일본 주도), 그리고 NASA의 찬드라 X선 관측소. LHAASO J1912+1014u는 2024년에 여름 삼각형의 유명한 별인 알타이르 근처의 독수리자리에서 발견되었다. 처음에는 초신성 잔해로 분류되었지만, 100 TeV 이상의 방출이 나타나면서 그 생각은 흔들리기 시작했다.

"여러 실험의 데이터를 통해 우리는 LHAASO J1912+1014u를 자세히 연구했습니다"라고 미즈노는 말했다. 관측소들은 전파에서 감마선에 이르는 전자기 스펙트럼의 넓은 범위를 포괄하여 팀이 상세한 다파장 모델을 구축할 수 있게 했다.

Fermi-LAT는 기가 전자 볼트(GeV, 10억 전자 볼트) 근처의 감마선을 측정했다. 찬드라는 더 낮은 에너지의 X선 관측을 제공했고, FUGIN은 더 낮은 에너지의 전파 데이터를 제공했다. LHAASO 및 다른 관측소의 테라 전자 볼트(TeV) 관측과 결합하여, 그 그림은 LHAASO J1912+1014u가 양성자 PeVatron임을 강력히 시사했고, 다른 설명을 배제했다.

세 가지 핵심 발견이 결정적이었다. 첫째, 감마선 신호는 100조 전자 볼트 이상에서 부드럽게 확장되었다.