국제 천문학자 연구팀은 최근 멀리 떨어져 있는 블레이저 PKS 1424+240의 오랜 미스터리를 성공적으로 풀었다고 발표했습니다. 이는 이 물체가 제트 운동이 느린 것처럼 보임에도 불구하고 관측된 가장 밝은 고에너지 감마선과 우주 중성미자 중 하나를 여전히 생성할 수 있는 이유를 설명합니다. 관련 결과는 6월 6일 Astronomy & Asphysics Letters에 게재되었습니다.

PKS 1424+240은 지구에서 수십억 광년 떨어져 있지만 오랫동안 천문학계에서는 잘 알려져 왔습니다. 이는 극도로 높은 에너지 감마선의 중요한 원천이자 현재 하늘에서 알려진 가장 밝은 중성미자 블레자르 중 하나입니다. 이는 IceCube 중성미자 천문대의 9년 중성미자 전천 지도에서 가장 눈에 띄는 고에너지 봉우리 중 하나에 해당합니다. 연구팀은 이번 연구가 단일 천체에 관한 것일 뿐만 아니라 현대 고에너지 천체물리학의 핵심 문제, 즉 극한 우주 물체가 입자를 극도로 높은 에너지로 가속하는 동시에 극도로 높은 에너지의 광자와 중성미자를 생성하는 방식을 직접적으로 지적하고 있다고 지적했습니다.

블레이자는 초거대질량 블랙홀에 의해 중심이 움직이는 일종의 활동성 은하핵이다. 블랙홀이 주변 물질을 삼키는 동안 극을 향해 회전축을 따라 거의 빛의 속도로 플라즈마 제트를 방출합니다. 다른 활성 은하핵과 비교할 때 블레이자의 특별한 점은 제트 중 하나가 거의 지구를 향하고 있어 전체 전자기 대역에서 유난히 밝게 보인다는 것입니다. 또한 과학자들에게 우주에서 가장 극단적인 물리적 과정을 연구할 수 있는 천연 "실험실"을 제공합니다. 일부 과학자들은 PKS 1424+240이 이미지의 기하학적 구조와 지구를 향한 제트로 인해 깊은 우주에 있는 "사우론의 눈"과 같다고 묘사합니다.

이론적 기대에 따르면, 가장 밝은 감마선 블레이저는 종종 전파 관측에서 매우 빠르게 움직이는 것처럼 보이는 제트 구조를 동반합니다. 그러나 PKS 1424+240의 무선 관측에 따르면 제트기의 속도가 비정상적으로 느린 것으로 나타났으며, 이는 "도플러 요인 위기"로 알려진 오랜 논쟁의 일부가 된 모순이었습니다. 연구팀은 진실을 밝히기 위해 미국 본토와 하와이, 세인트크로이 지역의 총 10개 무선 안테나로 구성된 VLBA(Very Long Baseline Array)에서 15년간의 관측 데이터를 검색해 분석했다.

과학자들은 매우 긴 베이스라인 간섭계(VLBI) 기술을 사용하여 넓은 지역에 분산된 전파 망원경의 신호를 공동으로 처리합니다. 이는 "지구 구경" 가상 망원경을 사용하여 극도로 높은 각도 분해능을 얻는 것과 같습니다. 팀은 총 42개의 전파 이미지와 2009년부터 2025년 사이에 획득한 편광 정보를 결합하여 이전보다 제트기에 대한 더 깊고 자세한 뷰를 구축했습니다. 이러한 관측은 활성 은하 제트의 밝기, 분극 및 자기장 구조를 체계적으로 연구하여 초거대 블랙홀 근처의 활동이 고에너지 방사선 및 중성미자 생성과 어떻게 연관되어 있는지 이해하는 것을 목표로 하는 장기 프로젝트 MOJAVE(VLBA를 통한 활성 은하 핵 제트 모니터링)의 일부입니다.

Mu SES 프로젝트를 이끌고 현재 Max Planck Institute for Radio Astronomy에 있는 제1저자 Yuri Kovalev는 "우리가 이 이미지를 재구성했을 때 정말 놀라웠습니다."라고 말했습니다. "우리는 그런 장면을 본 적이 없습니다. 거의 완벽한 환형(고리 모양) 자기장 구조를 동반한 제트기가 우리를 거의 마주하고 있습니다." 결과에 따르면 지구는 이 제트의 축에 거의 직접적으로 위치하며 시야각은 0.6도 미만인 것으로 나타났습니다. 즉, 인간은 방향을 따라 제트기를 거의 똑바로 바라보고 있는 것입니다.

이 기하학적 구조가 수수께끼를 푸는 열쇠가 되었습니다. 제트가 거의 정확하게 지구를 향하고 있기 때문에 상대성 이론의 도플러 밝기 효과는 우리 방향의 겉보기 밝기를 크게 증가시킵니다. 연구에 따르면 이 효과는 방사선을 약 30배까지 증폭시킬 수 있으며 동시에 투영 효과로 인해 제트가 라디오 이미지에서 실제보다 느리게 움직이는 것처럼 나타나 고전적인 "착시 현상"을 만들어낸다는 사실이 밝혀졌습니다. 공동 저자이자 막스 플랑크 전파 천문학 연구소의 잭 리빙스턴(Jack Livingston)은 이러한 정렬이 밝기의 극단적인 증가를 설명할 뿐만 아니라 "제트가 너무 느리다"는 오랜 문제를 자연스럽게 해결한다고 지적했습니다.

거의 "정면"적인 관점은 과학자들에게 제트기의 자기장의 세부 사항을 엿볼 수 있는 드문 기회를 제공합니다. 극성 무선 신호의 도움으로 팀은 제트에서 명확한 고리 모양(도넛 모양) 자기장 구성 요소를 감지했습니다. 이는 제트에 지속적인 전류가 있고 그 자기장이 제트의 방출, 시준 및 안정성에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다. 연구자들은 이 섬세한 자기 구조가 고에너지 감마선과 중성미자를 생성할 만큼 입자를 가속시키는 핵심 메커니즘 중 하나일 수도 있다고 추측합니다.

"이 문제를 해결하면 초대질량 블랙홀을 포함하는 활성 은하 핵이 고에너지 전자의 강력한 가속기일 뿐만 아니라 양성자 가속을 위한 자연 공장이기도 함을 확인할 수 있습니다. 이것이 우리가 관찰하는 고에너지 중성미자의 원천입니다." Kovalev는 강조했습니다. 이 연구는 유럽 연구 위원회(European Research Council)가 자금을 지원하는 MuSES(Multi-Messenger High Energy Study) 프로젝트의 일부입니다. 이 프로젝트는 활성 은하 핵이 입자를 가속하고 빛과 중성미자와 같은 다양한 우주 신호에 각인을 남기는 방법을 탐구하는 데 중점을 두고 있습니다. 과학계는 일반적으로 양성자 가속 과정과 중성미자 생성 사이의 정확한 관계를 파악하는 것이 오늘날 천체 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제 중 하나로 남아 있다고 믿습니다.

최신 결과는 제트가 "느린" 것처럼 보임에도 불구하고 일부 블레이자가 여전히 극도로 밝은 고에너지 방사선을 방출할 수 있는 이유를 설명할 뿐만 아니라 상대론적 제트, 자기장 구조, 감마선 및 고에너지 중성미자 등 보다 거시적인 수준에서 여러 주요 물리적 요소 간의 연결을 강화합니다. 연구팀은 이번 발견이 우주에서 가장 강력한 자연 입자 가속기를 이해하는 데 새로운 단서를 제시하고 다중 메신저 천문학에 중요한 계몽을 제공한다고 밝혔습니다. 광자, 중성미자 등 여러 '메신저'를 공동으로 분석함으로써 인류는 우주에서 일어나는 극한 현상의 실제 모습을 보다 포괄적으로 복원할 수 있을 것으로 기대됩니다.