뇌우에서 발견된 끓어오르는 감마선
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-10-04 17:10:07
4분 읽기
- 뇌운의 전하 차이는 10억 볼트가 넘는 엄청난 전압을 생성
- 개조한 정찰기로 약 20km 고도에서 카리브해와 중앙아메리카의 대규모 뇌우 위로 비행
- 바다와 해안의 열대 뇌우가 몇 시간 동안 감마선을 방출한다는 사실을 발견
- 새로 발견된 감마선 빛은 일반적인 번개나 관련 무선 방출과 관련이 없다
- 어떤 메커니즘이 이를 유발하는지에 대해서는 당분간 미스터리로 남아
뇌운의 전하 차이는 10억 볼트가 넘는 엄청난 전압을 생성할 수 있다. 이는 주변 공기를 몇 분의 1초 만에 플라즈마로 변환하는 번개로 방전된다. 극단적인 경우에는 반물질과 고에너지 X선, 감마선 섬광도 방출된다.
정찰 비행기가 상공에서 뇌우 전망 제공
냉전 시대에 개조된 정찰기를 사용한 관측 결과가 전부는 아니라는 사실이 드러났다. 현재 NASA가 사용하는 항공기는 상업용 항공기보다 두 배 더 높이 날 수 있고 훨씬 더 빠르다. Bergen 대학의 프로젝트 리더인 Nikolai Østgaard는 “이를 통해 우리는 폭풍우 구름 위로 날아갈 수 있다”고 설명했다. 목표는 뇌우로 인한 감마선 방출을 더 자세히 조사하는 것이었다.
이를 위해 팀은 약 20km 고도에서 카리브해와 중앙아메리카의 여러 대규모 뇌우 위로 비행했다. 측정 항공기는 5개의 서로 다른 감마선 탐지기, 30개의 광도계 및 전기장용 여러 센서, 레이더 장치 및 방사계를 사용하여 폭풍우 구름과 그 꼭대기에서 일어나는 일을 기록했다.
9천 평방킬로미터 이상의 감마선 섬광
놀라운 사실이 나타났다. “우리는 바다와 해안의 열대 뇌우가 몇 시간 동안 감마선을 방출한다는 사실을 발견했다”고 Østgaard와 그의 동료들은 보고했다. 이 감마 글로우는 수천 평방 킬로미터에 걸쳐 확장될 수 있으며 예외적인 현상으로 보이지 않는다. 팀은 10번의 측정 비행 중 9번에서 이를 감지했다. “거의 모든 주요 뇌우는 항상 다양한 형태의 감마선을 생성하는 것으로 보인다”고 듀크 대학의 공동 저자인 Steve Cummer는 보고했다.
이전에 가정했던 것과는 달리, 이 감마선은 짧은 섬광이나 매우 약하고 균일한 빛으로 나타날 뿐만 아니라, 현재 관찰되는 현상은 동적 깜박임이나 버블링과 더 유사하다. 연구원들은 “각각 몇 밀리초 동안 지속되는 많은 반복적 방사선 피크가 서로 뒤따른다”고 보고했다. 이러한 방사선 피크 동안 감마 방사선의 강도는 최대 30배까지 급격하고 일시적으로 증가한다.
“감마선으로 가득 찬 부글거리는 가마솥”
공동 제1저자인 베르겐 대학의 마르티노 마리살디(Martino Marisaldi)는 “이 감마선으로 빛나는 뇌운의 움직임 패턴과 행동은 감마선으로 가득 찬 거대하고 부글부글 끓는 가마솥의 움직임 패턴과 유사하다”고 말했다. 왜냐하면 구름 내에서 깜박이는 감마 빛의 시작 영역이 끊임없이 변화하기 때문이다. 가장 강한 감마선은 현재 강한 대류 흐름이 있는 구름 영역에서 나오는 것으로 보인다. “그 결과, 그러한 뇌우가 발생하고 성숙되는 단계에서 일반적으로 감마선을 활발하게 방출하는 여러 지역이 형성된다”고 연구원들은 보고했다.
Østgaard와 그의 동료들은 10번의 측정 비행 동안 총 500개 이상의 감마선 "둥지"를 기록했다. 이들 각 영역은 썰물이 되기 전 몇 초 동안 반복되는 강력한 감마선 피크를 생성한 다음 나중에 다시 타올랐다.
원인은 무엇일까?
그러면 이 버블링되고 깜박이는 감마 글로우의 원인은 무엇일까? 지금까지 뇌우 시 감마선 생성에 대한 몇 가지 이론이 있었다. 첫 번째는 단파, 고에너지 방사선이 뇌우에서 생성된 반물질 입자의 상호 소멸로 인해 발생한다고 가정한다. 이러한 양전자가 소멸되면 에너지가 감마 광자의 형태로 방출된다. 이것이 약하지만 꾸준한 감마 광선의 원인이 될 수 있다.
반면에 뇌우의 짧은 감마선 폭발은 눈에 보이는 "정상적인" 번개의 부작용일 수 있다. 최고조에 이르면 빠른 전자가 공기 입자에 흩어지고 자체 강화되는 고에너지 입자의 눈사태를 생성한다. 감마선 폭발이다.
알려진 메커니즘 중 어느 것도 적합하지 않음
깜박이는 감마 글로우에 이러한 이론 중 어떤 이론이 적용되는지 알아내기 위해 연구원들은 그 최고점을 무엇보다도 일반 플래시의 위치 및 시간 및 기타 측정 데이터와 비교했다. 밝혀진 사실은 알려진 감마선 폭발과 달리 새로 발견된 감마선 빛은 일반적인 번개나 관련 무선 방출과 관련이 없다는 것이다.
Østgaard와 그의 동료들은 “이것은 번개 방전이 깜박이는 감마 글로우의 형성에 관여하지 않는다는 것을 시사한다”고 말했다. 반물질과 직접적인 관련도 없었다. 그러면 무엇이 폭풍우 구름을 부글부글 끓어오르는 “감마 가마솥”으로 바꾸는가? 지금까지 과학자들은 이에 대해 추측만 할 수 있었다. “우리는 이 깜빡이는 감마선을 새로운 현상으로 분류해야 한다”고 그들은 썼다.
뇌우 연구에서 누락된 연결이 있을까?
그들은 이 현상이 울트라 커브 감마선 폭발과 지속적이고 약한 감마선 빛 사이의 일종의 연결고리, 즉 '잃어버린 고리'를 나타내는 것으로 의심하고 있다. 이 오래 지속되는 감마선 깜박임은 약하고 정상적인 감마선에서 발생하여 점점 더 강렬해지고 맥동하게 된다. 이러한 발전의 반대편에는 개별적인 짧은 감마선 폭발이 있을 수 있다.
그러나 이러한 모든 현상이 정확히 어떻게 연결되어 있고 어떤 메커니즘이 이를 유발하는지에 대해서는 당분간 미스터리로 남아 있다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07936-6; doi: 10.1038/s41586-024-07893-0)
출처: Nature, Duke University
- 뇌운의 전하 차이는 10억 볼트가 넘는 엄청난 전압을 생성
- 개조한 정찰기로 약 20km 고도에서 카리브해와 중앙아메리카의 대규모 뇌우 위로 비행
- 바다와 해안의 열대 뇌우가 몇 시간 동안 감마선을 방출한다는 사실을 발견
- 새로 발견된 감마선 빛은 일반적인 번개나 관련 무선 방출과 관련이 없다
- 어떤 메커니즘이 이를 유발하는지에 대해서는 당분간 미스터리로 남아
뇌우에서 발견된 끓어오르는 감마 광선
새롭고 깜박이는 감마선 방출은 수천 킬로미터에 걸쳐 확장돼
새로운 현상:
뇌우는 번개를 생성할 뿐만 아니라 감마선 범위에서 구름도 빛나고 거품을 낸다. 개조된 정찰기를 이용한 비행으로 밝혀졌다. 우리 눈에는 보이지 않는 깜박이는 감마선은 몇 시간, 수천 평방킬로미터에 걸쳐 확장될 수 있다. 그러나 이 감마선 방출은 연구자들이 "Nature"에서 보고한 바와 같이 뇌우로 인한 이미 알려진 감마선 섬광과는 다르다. 이 새로운 현상은 어떻게 발생하는가?
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| ▲ 감마선을 볼 수 있다면 폭풍우 구름 위에서 빛나고 거품이 생길 것이다. 연구원들은 이제 개조된 정찰기를 사용하여 깜박이는 감마선을 감지했다. © ALOFT 팀 / Mount Visual/CC-by 4.0 |
뇌운의 전하 차이는 10억 볼트가 넘는 엄청난 전압을 생성할 수 있다. 이는 주변 공기를 몇 분의 1초 만에 플라즈마로 변환하는 번개로 방전된다. 극단적인 경우에는 반물질과 고에너지 X선, 감마선 섬광도 방출된다.
정찰 비행기가 상공에서 뇌우 전망 제공
냉전 시대에 개조된 정찰기를 사용한 관측 결과가 전부는 아니라는 사실이 드러났다. 현재 NASA가 사용하는 항공기는 상업용 항공기보다 두 배 더 높이 날 수 있고 훨씬 더 빠르다. Bergen 대학의 프로젝트 리더인 Nikolai Østgaard는 “이를 통해 우리는 폭풍우 구름 위로 날아갈 수 있다”고 설명했다. 목표는 뇌우로 인한 감마선 방출을 더 자세히 조사하는 것이었다.
이를 위해 팀은 약 20km 고도에서 카리브해와 중앙아메리카의 여러 대규모 뇌우 위로 비행했다. 측정 항공기는 5개의 서로 다른 감마선 탐지기, 30개의 광도계 및 전기장용 여러 센서, 레이더 장치 및 방사계를 사용하여 폭풍우 구름과 그 꼭대기에서 일어나는 일을 기록했다.
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| ▲ NASA ER-2 측정 항공기는 원래 정찰기로 사용되었다. 이제는 과학에 사용된다. © NASA/ Carla Thomas |
9천 평방킬로미터 이상의 감마선 섬광
놀라운 사실이 나타났다. “우리는 바다와 해안의 열대 뇌우가 몇 시간 동안 감마선을 방출한다는 사실을 발견했다”고 Østgaard와 그의 동료들은 보고했다. 이 감마 글로우는 수천 평방 킬로미터에 걸쳐 확장될 수 있으며 예외적인 현상으로 보이지 않는다. 팀은 10번의 측정 비행 중 9번에서 이를 감지했다. “거의 모든 주요 뇌우는 항상 다양한 형태의 감마선을 생성하는 것으로 보인다”고 듀크 대학의 공동 저자인 Steve Cummer는 보고했다.
이전에 가정했던 것과는 달리, 이 감마선은 짧은 섬광이나 매우 약하고 균일한 빛으로 나타날 뿐만 아니라, 현재 관찰되는 현상은 동적 깜박임이나 버블링과 더 유사하다. 연구원들은 “각각 몇 밀리초 동안 지속되는 많은 반복적 방사선 피크가 서로 뒤따른다”고 보고했다. 이러한 방사선 피크 동안 감마 방사선의 강도는 최대 30배까지 급격하고 일시적으로 증가한다.
“감마선으로 가득 찬 부글거리는 가마솥”
공동 제1저자인 베르겐 대학의 마르티노 마리살디(Martino Marisaldi)는 “이 감마선으로 빛나는 뇌운의 움직임 패턴과 행동은 감마선으로 가득 찬 거대하고 부글부글 끓는 가마솥의 움직임 패턴과 유사하다”고 말했다. 왜냐하면 구름 내에서 깜박이는 감마 빛의 시작 영역이 끊임없이 변화하기 때문이다. 가장 강한 감마선은 현재 강한 대류 흐름이 있는 구름 영역에서 나오는 것으로 보인다. “그 결과, 그러한 뇌우가 발생하고 성숙되는 단계에서 일반적으로 감마선을 활발하게 방출하는 여러 지역이 형성된다”고 연구원들은 보고했다.
Østgaard와 그의 동료들은 10번의 측정 비행 동안 총 500개 이상의 감마선 "둥지"를 기록했다. 이들 각 영역은 썰물이 되기 전 몇 초 동안 반복되는 강력한 감마선 피크를 생성한 다음 나중에 다시 타올랐다.
원인은 무엇일까?
그러면 이 버블링되고 깜박이는 감마 글로우의 원인은 무엇일까? 지금까지 뇌우 시 감마선 생성에 대한 몇 가지 이론이 있었다. 첫 번째는 단파, 고에너지 방사선이 뇌우에서 생성된 반물질 입자의 상호 소멸로 인해 발생한다고 가정한다. 이러한 양전자가 소멸되면 에너지가 감마 광자의 형태로 방출된다. 이것이 약하지만 꾸준한 감마 광선의 원인이 될 수 있다.
반면에 뇌우의 짧은 감마선 폭발은 눈에 보이는 "정상적인" 번개의 부작용일 수 있다. 최고조에 이르면 빠른 전자가 공기 입자에 흩어지고 자체 강화되는 고에너지 입자의 눈사태를 생성한다. 감마선 폭발이다.
알려진 메커니즘 중 어느 것도 적합하지 않음
깜박이는 감마 글로우에 이러한 이론 중 어떤 이론이 적용되는지 알아내기 위해 연구원들은 그 최고점을 무엇보다도 일반 플래시의 위치 및 시간 및 기타 측정 데이터와 비교했다. 밝혀진 사실은 알려진 감마선 폭발과 달리 새로 발견된 감마선 빛은 일반적인 번개나 관련 무선 방출과 관련이 없다는 것이다.
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| ▲ 뇌우에서 흔히 발생하는 번개 방전은 감마선 깜박임의 원인이 아닌 것으로 보인다. © Oscar van der Velde |
Østgaard와 그의 동료들은 “이것은 번개 방전이 깜박이는 감마 글로우의 형성에 관여하지 않는다는 것을 시사한다”고 말했다. 반물질과 직접적인 관련도 없었다. 그러면 무엇이 폭풍우 구름을 부글부글 끓어오르는 “감마 가마솥”으로 바꾸는가? 지금까지 과학자들은 이에 대해 추측만 할 수 있었다. “우리는 이 깜빡이는 감마선을 새로운 현상으로 분류해야 한다”고 그들은 썼다.
뇌우 연구에서 누락된 연결이 있을까?
그들은 이 현상이 울트라 커브 감마선 폭발과 지속적이고 약한 감마선 빛 사이의 일종의 연결고리, 즉 '잃어버린 고리'를 나타내는 것으로 의심하고 있다. 이 오래 지속되는 감마선 깜박임은 약하고 정상적인 감마선에서 발생하여 점점 더 강렬해지고 맥동하게 된다. 이러한 발전의 반대편에는 개별적인 짧은 감마선 폭발이 있을 수 있다.
그러나 이러한 모든 현상이 정확히 어떻게 연결되어 있고 어떤 메커니즘이 이를 유발하는지에 대해서는 당분간 미스터리로 남아 있다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07936-6; doi: 10.1038/s41586-024-07893-0)
출처: Nature, Duke University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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