우주의 신비

어깨동무 2011. 9. 25. 23:05

 

“지구 1만㎞ 상공, 반물질 띠 있다”| ▒ 자유 / 게시판 - 2011

 

봉봉
조회 44 |추천 0 | 2011.08.09. 10:05

“지구 1만㎞ 상공, 반물질 띠 있다”
지구에 자연상태론 없는 물질
이탈리아 - 러시아 연구팀 발견
“고도 높아 소멸 안 한 듯 … 미래 우주선 연료 가능성”

 

  지구 주위에 반물질(反物質·antimatter) 띠가 존재한다는 사실이 처음 확인됐다. 2006년 러시아 인공위성에 실려 발사된 우주선(宇宙線·cosmic rays) 관측장비 파멜라(PAMELA) 연구팀에 의해서다. 영국 BBC는 7일(현지시간) '천체물리학 저널 소식' 최신판 논문을 인용해 이같이 보도했다.


  반물질은 우리가 살고 있는 세상을 구성하고 있는 물질과 다른 특성을 갖고 전하 값은 반대인 '물질'을 통칭한다. 양성자(+)의 반대인 반양성자(-), 전자(-)의 반대인 양전자(+) 등이다. 이런 반물질은 물질과 만나면 빛(에너지)을 방출하면서 함께 사라진다(쌍소멸). 스위스의 유럽입자물리연구소(CERN) 등에서 인공적으로 만들어 내는 것을 제외하곤 지구상에선 반물질을 찾아보기 힘든 이유다.

 

  그런데 파멜라 연구팀은 지구의 밴앨런대(帶) 내층(지상 약 100~1만㎞)과 외층(지상 약 1만3000~6만㎞) 사이에서 정상적인 수준보다 수천 배나 많은 반양성자를 발견했다고 발표했다. 밴앨런대는 지구 주위를 도넛 모양으로 둘러싸고 있는 입자 무리다. 이들 가운데 다량의 반양성자가 쌍소멸을 피해 존재한다는 것은 기존 상식을 뒤집는 것이다.

 

  연구를 주도한 이탈리아 바리 대학 알레산드로 브루노 교수는 이와 관련해 "고도가 수백㎞ 이상 되면 쌍소멸률이 낮아져 반양성자가 대량 존재할 수 있다"고 말했다. 그는 또 이 반물질들이 "지구 가까이에 있는 가장 풍부한 반물질 자원"이라며 "미래 우주선의 연료로 쓰일 수도 있을 것"이라고 주장했다. 쌍소멸 때 방출되는 에너지는 반물질 1g 당 약 2500만kWh에 달하는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 공상과학(SF) 소설·영화 등에서 우주선 엔진연료로 자주 등장해 왔다.

 

 

 

 

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밴 앨런 복사대

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지구의 매우 높은 곳의 지구자기장에 의해 잡힌 고(高)에너지 하전 입자들이 이루는 도넛 모양의 영역.

미국 익스플로러 위성(U. S. Explorer Satellite)이 전송한 자료들을 이용해 1958년 이 영역들을 발견한 미국의 물리학자 제임스 A. 밴 앨런의 이름을 따서 '밴 앨런 복사대'라고 부른다.
밴 앨런 복사대는 적도 상공에서 가장 강하고 양 극지방의 상공에서는 거의 사라진다. 하전입자들의 선속(線束)이 최대밀도를 보이는 2개 구역으로 가를 수 있다. 그러나 이 2개 구역들 사이에 급격한 구분은 없으며, 점진적으로 다른 구역에 병합된다. 안쪽 구역(내대)은 지구표면 위 약 3,000㎞ 근방에 중심을 두고 있고, 바깥쪽 구역(외대)은 고도 약 1만 5,000~2만㎞ 에 중심을 두고 있다. 어떤 추정에서는 이 구역을 지구표면으로부터 지구 반지름의 6배가 넘는 높이(약 3만 8,000㎞)에 있는 것으로 보기도 한다.
밴 앨런 내대는 주로 3×107eV가 넘는 고에너지 양성자들로 이루어져 있다. 이 양성자들의 최고강도는 구의 중심으로부터 모든 방향으로 1㎠의 구면을 통해 초당 2만 개의 입자들이 통과하는 정도이다. 내대의 양성자는 태양계 밖에서 온 고에너지 우주선(宇宙線)이 지구 대기의 분자나 원자와 충돌할 때 생기는 중성자의 붕괴에서 얻어진다고 믿고 있다. 이 중성자들 중 일부는 대기 밖으로 다시 방출되고 이 중성자들이 밴 앨런 복사대를 지나갈 때 그중 몇 %가 양성자와 전자로 붕괴된다. 이 입자들은 지구자기장의 힘을 받아 나선형으로 움직인다. 이 입자들이 지구의 양극 중 어느 한 곳에 가까워짐에 따라 지구자기장의 세기가 증가하기 때문에 이 입자들은 반사된다. 자기거울 효과(magnetic mirror effect)라 부르는 이 효과 때문에 입자들은 양극 사이를 왕복운동하게 된다. 이들은 시간이 지나면서 희박한 대기층의 원자들과 충돌하고 그 결과 방사선에서 사라진다.
밴 앨런 외대는 대기와 태양으로부터 도달한 하전입자들을 포함하는데, 태양으로부터 도달한 하전입자들은 주로 태양풍(太陽風:태양으로부터 방출되는 입자들의 지속적인 흐름)으로부터 도달한 헬륨 이온들로 구성되어 있다. 외대의 양성자들의 에너지는 내대보다 낮고, 그들의 선속은 훨씬 더 높다. 외대에서 가장 높은 에너지를 가진 입자들은 대부분 전자들인데, 이들의 에너지는 1억eV에까지 이른다. 연구에 의하면 강렬한 태양활동은 밴 앨런 복사대 붕괴의 원인이 되고 있으며 이러한 밴 앨런 복사대의 붕괴는 오로라·자기폭풍 같은 현상과 연관이 있는 것으로 보인다.→ 오로라, 자기폭풍

 

 

  지구의 매우 높은 곳의 지구자기장에 의해 잡힌 고(高)에너지 하전 입자들이 이루는 도넛 모양의 영역.미국 익스플로러 위성(U. S. Explorer Satellite)이 전송한 자료들을 이용해 1958년 이 영역들을 발견한 미국의 물리학자 제임스 A. 밴 앨런의 이름을 따서 '밴 앨런 복사대'라고 부른다.

밴 앨런 복사대는 적도 상공에서 가장 강하고 양 극지방의 상공에서는 거의 사라진다. 하전입자들의 선속(線束)이 최대밀도를 보이는 2개 구역으로 가를 수 있다. 그러나 이 2개 구역들 사이에 급격한 구분은 없으며, 점진적으로 다른 구역에 병합된다. 안쪽 구역(내대)은 지구표면 위 약 3,000㎞ 근방에 중심을 두고 있고, 바깥쪽 구역(외대)은 고도 약 1만 5,000~2만㎞ 에 중심을 두고 있다. 어떤 추정에서는 이 구역을 지구표면으로부터 지구 반지름의 6배가 넘는 높이(약 3만 8,000㎞)에 있는 것으로 보기도 한다.

 

  밴 앨런 내대는 주로 3×107eV가 넘는 고에너지 양성자들로 이루어져 있다. 이 양성자들의 최고강도는 구의 중심으로부터 모든 방향으로 1㎠의 구면을 통해 초당 2만 개의 입자들이 통과하는 정도이다. 내대의 양성자는 태양계 밖에서 온 고에너지 우주선(宇宙線)이 지구 대기의 분자나 원자와 충돌할 때 생기는 중성자의 붕괴에서 얻어진다고 믿고 있다. 이 중성자들 중 일부는 대기 밖으로 다시 방출되고 이 중성자들이 밴 앨런 복사대를 지나갈 때 그중 몇 %가 양성자와 전자로 붕괴된다. 이 입자들은 지구자기장의 힘을 받아 나선형으로 움직인다. 이 입자들이 지구의 양극 중 어느 한 곳에 가까워짐에 따라 지구자기장의 세기가 증가하기 때문에 이 입자들은 반사된다. 자기거울 효과(magnetic mirror effect)라 부르는 이 효과 때문에 입자들은 양극 사이를 왕복운동하게 된다. 이들은 시간이 지나면서 희박한 대기층의 원자들과 충돌하고 그 결과 방사선에서 사라진다.

 

  밴 앨런 외대는 대기와 태양으로부터 도달한 하전입자들을 포함하는데, 태양으로부터 도달한 하전입자들은 주로 태양풍(太陽風:태양으로부터 방출되는 입자들의 지속적인 흐름)으로부터 도달한 헬륨 이온들로 구성되어 있다. 외대의 양성자들의 에너지는 내대보다 낮고, 그들의 선속은 훨씬 더 높다. 외대에서 가장 높은 에너지를 가진 입자들은 대부분 전자들인데, 이들의 에너지는 1억eV에까지 이른다. 연구에 의하면 강렬한 태양활동은 밴 앨런 복사대 붕괴의 원인이 되고 있으며 이러한 밴 앨런 복사대의 붕괴는 오로라·자기폭풍 같은 현상과 연관이 있는 것으로 보인다 

 

 
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<과학> 지구 폭풍發 반물질 빔 발견

(서울=연합뉴스) 지구에서 일어나는 강력한 폭풍으로부터 반물질 빔이 방출되는 현상이 우주망원경에 포착됐다고 라이브사이언스 닷컴과 BBC 뉴스가 보도했다.

   미국 과학자들은 미항공우주국(NASA)의 페르미 감마선우주망원경을 통해 지금까지 한 번도 발견된 적이 없는 이런 현상을 우연히 발견했다고 미국천문학회 회의에서 발표했다.

   이들은 이 현상이 지구 대기권의 폭풍 내부에서 순간적으로 일어나는 번개와 관련이 있는 지구감마선섬광(TGF)으로부터 만들어진 것으로 보고 있다.

   연구진은 "이는 폭풍이 반물질 입자 빔을 만들어낸다는 것을 보여주는 최초의 직접적인 증거"라고 강조했다.

   이들은 페르미 망원경에 탑재된 감마선폭발모니터기(GBM)를 통해 51만1천볼트의 에너지를 지닌 감마선을 포착했으며 이는 전자가 자신의 반물질 짝인 양전자와 만났음을 보여주는 것이라고 설명했다.

   감마선은 원자핵 부근을 지나면서 그 에너지를 두 개의 입자, 즉 전자와 양전자의 짝으로 전환시킬 수 있다. 전자와 양전자가 전하를 띠고 있기 때문에 이들은 지구 자기장과 정렬해 각각 반대 방향으로 향하는 물질과 반물질 빔을 이루며 먼 거리를 이동할 수 있다.

   지난 2008년 페르미 망원경이 발사된 이래 지금까지 학자들은 지구에서 방출되는 TGF를 130차례 발견했으며 이 가운데 4개는 분명 반물질의 신호를 보였다고 밝혔다.

   TGF는 지구의 폭풍 안에서 하루에 약 500번가량 일어나며 1천분의1초 정도 지속되지만 섬광이 한 번일 때 방출되는 전하 입자의 양은 다른 모든 현상에 의해 지구대기권 전체를 통과하는 것과 맞먹는다.

   연구진은 페르미 우주망원경이 우주의 모든 영역으로부터 발생하는 감마선을 포착할 수 있도록 제작돼 있다면서 "페르미의 GBM은 지구로부터 가장 먼 현상인 감마선폭발(GRB)을 포착했고 태양 플레어로부터 나오는 감마선 섬광을 포착한 데 이어 지구에서 나오는 감마선까지 포착했다"고 강조했다.

   이들은 "그러나 페르미의 발견 가운데 가장 놀라운 것은 TGF가 감마선 뿐만 아니라 전자의 반물질 짝인 양전자까지 만들어낸다는 것"이라고 말했다.

   학자들은 이런 현상이 지구뿐 아니라 다른 행성들에서도 일어날 것으로 추측했으나 목성이나 토성 같은 거대한 가스 행성에서는 대기권 깊은 곳에서 폭풍이 일어나므로 반물질 빔이 우주까지 뻗어 나오지는 못할 것이라고 말했다.

   youngnim@yna.co.kr

<저작권자(c)연합뉴스. 무단전재-재배포금지.>             2011/01/12 10:18 송고
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137억 년 비밀 풀 열쇠 ‘반물질’ 16분간 잡았다

[중앙일보] 입력 2011.06.06 03:01 / 수정 2011.06.06 03:01

CERN 연구팀 오늘 발표

인류가 137억 년 우주 진화의 비밀에 또 한 걸음 다가섰다. 세계 최대 입자가속기인 거대강입자가속기(LHC)를 운용 중인 유럽입자물리연구소(CERN)의 알파(ALPHA) 실험팀은 6일 오전 2시 우주 탄생(빅뱅) 이후 사라져버린 반(反)물질을 만들어 1000초(16분) 동안 잡아두는 데 성공했다고 밝혔다. 세계적 권위의 물리학 전문지 ‘네이처 피직스’를 통해서다. 이 연구팀은 지난해 11월 반수소 원자를 약 0.172초간 포착했다고 발표한 바 있다. 이어 불과 6개월여 만에 포착 시간을 1만 배 가까이 연장한 것이다.

 빅뱅 이론에 따르면 반물질은 ‘태초의 순간’에 물질과 같은 수로 만들어졌다. 하지만 현재 지구가 속한 은하계엔 물질뿐이다.

명확한 이유는 규명되지 않았지만 쌍소멸(물질과 반물질이 만나면 빛을 내며 함께 소멸하는 것) 현상 탓으로 추측되고 있다. 2008년 국내에 번역 출간된 미국 작가 댄 브라운의 소설 『천사와 악마』는 이를 이용한 테러 음모를 소재로 했다. 과학자들은 우주 어딘가에 반물질로만 이뤄진 별이나 은하계가 존재하며, 반물질의 특성을 규명하면 이 같은 우주 진화의 수수께끼를 풀 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 CERN 알파 연구팀은 이번에 LHC의 일부인 반양성자감속기(AD)를 이용해 감속시킨 반양자 1만5000개를 강력한 자기장 속에 가둬두고, 양전자와 결합시켰다. 그 결과 반수소 원자 6000개가 만들어졌는데, 이들 중 일부가 1000초간 쌍소멸하지 않고 버텼다는 것이다.

 민동필 기초기술연구회 이사장은 “10억분의 1초 만에 사라지기도 하는 반물질을 1000초나 잡아둔 것은 대단한 진보”라며 “이를 이용해 앞으로 다양한 반물질 실험을 할 수 있게 됐다. 뉴턴이 사과가 떨어지는 것을 보고 중력을 발견했다고 하듯, 새로운 현상을 발견할 수 있는 가능성이 열렸다는 점에서 대단히 의미 있는 결과”라고 평가했다.

김한별 기자


◆반물질(Antimatter)=우리 주변 물질과 질량은 동일하지만 전하값은 반대인 물질. 양성자(+)의 반대인 반양성자(-), 전자(-)의 반대인 양전자(+) 등이 있다.

 

사전을 읽다가 발견한 반양자.
이런 녀석이었군요.
사전에 있던 정의처럼 흥미롭네요.
잘보고 갑니다.
좋은 정보 감사합니다...