[우주선 1] 우주선의 정의, 발견과 역사, 종류

[우주선 1] 우주선의 정의, 발견과 역사, 종류

1. 우주선의 정의

우주선(cosmic ray, CR)은 광선이 아닌 입자로, 광속에 가까운 속도로 움직이는 이온(ion)이고, 대부분 H + , 양성자(proton)로 이루어져 있다. 우주선은 태양, 다른 별, 활동은하핵과 전파은하뿐만 아니라, 초신성과 그 잔해, 중성자성, 블랙 홀과 같은 외부 천체를 포함한 서로 다른 다양한 근원에서 생성된다.

높은 에너지를 우주선 중에서 약 150 J(10 21 eV) 이상의 에너지를 가진 입자 가 관측되기도 한다. 전 에너지 범위에 대해 적분된 1차 우주선의 수밀도는 지 구 근처에서 약 10 -4 m -3이다. 1차 우주선의 총 에너지 밀도는 대략 1 MeVm -3 이다. 지구 대기와 지자기장은 고에너지 우주선에 대한 과도한 노출로부터 보호 해준다. 우주선이 지구 대기를 통과하게 되면, 질소 및 산소 분자와 같은 대기 입자와 충돌하여 연속적으로 2차 입자를 만들어내게 된다.

2. 우주선의 발견과 역사

우주선을 첫 관측한 이래 100년 이후 우주선 연구는 오랜 역사를 가지고 있 다. 1900년 C.T.R Wilson은 누적된 정전하를 측정하여 연속 대기 이온화를 발견하였다. 그 당시에는 지구의 자연 방사능에 의한 것이라고 잘못 인식하고 있 었다.

1912년 비엔나 대학의 V. Hess(1936년 노벨상 수상)는 전위계(electrometer; charge collector)를 열기구에 실어 5km 고도에 올려 보냈다. 예상한대로 고도 700m까지는 이온화율이 감소하였으나, 그 이후의 고도에서는 증가하는 것을 발견하여 지구 밖 우주기원에 의한 이온화임을 밝혀냈다. 그 후 시행된 관측 동안, 그는 이온화하는 방사능이 낮과 밤의 차이가 없이 비슷하여 태양 기원이 아님을 보여주었다. 방사능이 감마선으로 구성되었을 것으로 여겼기 때문에 우주 방사능 (cosmic radiation)이라고 하는 용어가 통용되었다. 그러나 이 가정은 곧 의문점 을 드러냈고, 1925년 Caltech의 R. Millikan은 우주선이라고 하는 용어를 도입 하였다. 이후 우주선이 대전입자(charged particle)로 구성되어 있음이 밝혀졌다.

3. 우주선의 종류

우주선은 그 기원에 따라 분류하면, 은하의 초신성 폭발로 발생하는 은하우주 선(galactic cosmic ray, GCR), 태양에서 발생되는 태양우주선(solar cosmic r ay), 기원 불분명인 이상우주선(anomalous cosmic ray)으로 분류할 수 있다.

Fig. 1-1은 에너지에 따른 우주선 세기를 나타낸 우주선 스펙트럼이다. 우주 선 스펙트럼에서 태양우주선은 낮은 에너지 영역(a 영역)에, 은하우주선은 중간 에너지 영역(b 영역)에, 이상우주선은 가장 높은 에너지 영역(c 영역)에 분포한다.

은하우주선과 이상우주선은 성분의 차이에 따라 에너지가 비슷할 수도 있다.

Fig. 1-2는 행성간 공간에서 지구에 도달하는 전리방사선의 기원을 태양에서 방출되는 태양 고에너지 입자 방출 현상(solar proton event, SPE)과 은하우주 선으로 나타내고 있다. 즉 지자기장 밖의 행성간 공간은 우주 방사선으로 채워 져 있다고 볼 수 있지만, 지표에서는 지자기장과 대기에 의해 어느 정도 차폐되 고 인체에 피해가 없는 다른 형태로 변환된다.

1) 은하우주선

활동은하핵, 초신성 폭발로 태양계 밖에서 생성되며, 에너지가 10 21 eV까지 달하는 가장 에너지가 높은 입자들이다. 성분은 대부분 양성자이며, 7~10%의 헬륨과 1% 정도의 중원소로 되어 있다. 은하우주선은 태양권에 진입하게 되면 서 태양풍(solar wind)과 행성간 자기장(interplanetary magnetic field)의 영향 을 많이 받게 된다. 태양계 내에서 은하우주선 세기는 태양활동에 의해 조정(m odulation)된다. 특히, 비교적 에너지가 낮은 우주선 입자(E > 10 9 eV)들은 태양 활동의 영향을 크게 받는다(Oh, 2006). 강화된 태양 자기장은 우주선 입자가 지구에 도달하는 것을 막아준다.

2) 태양우주선

태양 고에너지 입자(solar energetic particles)로 불리기도 하며, 대부분 태 양 플레어(solar flare) 때 발생된다. 행성간 물질에서의 코로나질량방출(corona l mass ejection)과 충격파도 역시 에너지가 높은 입자를 만들어 낸다. 태양우 주선은 전형적으로 수 백 MeV/nucleon에 해당하는 에너지를 가지며, 가끔 수 GeV/nucleon에 도달하기도 한다. 태양우주선 성분은 대략적으로 은하 우주선 성분과 비슷하다. 대부분은 양성자, ~10%의 헬륨, < 1%의 중원소로 되어 있 다. 강한 태양 플레어 동안 태양우주선의 증가인 태양 고에너지 입자 방출 현상 에 의해 지구에서의 우주선 세기는 수 백 %로 증가하기도 한다.

3) 이상우주선

태양권 경계(heliopause)를 넘어 항성간 공간에서 생성된다. 이상우주선의 성분은 은하우주선과 태양우주선과 약간 다른 경향을 보인다. 양성자보다는 헬륨 을 더 많이 포함하고 있으며, 탄소보다는 산소를 훨씬 더 많이 함유하고 있다.