GRB 221009A의 300 TeV 광자: 로렌츠 불변성 위반으로 생존 경로 설명 시도

BOAT: 역대 가장 밝은 감마선 폭발

2022년 10월 9일, 지구에서 약 20억 광년 거리에서 발생한 감마선 폭발 GRB 221009A는 천문학자들 사이에서 'BOAT(Brightest Of All Time)'라는 별칭을 얻었다. 이 폭발이 방출한 광자 샤워 중 러시아 코카서스 산맥 바크산 천문대에 설치된 초고에너지 우주선 검출기 Carpet는 약 300 TeV 에너지를 가진 단일 광자를 포착했다. 감마선 폭발 기원 광자로는 역대 최고 에너지 기록이다.

왜 이 광자는 지구에 도달할 수 없어야 했나

표준 물리학 모형에서 초고에너지 광자가 우주를 여행할 때는 빅뱅의 잔열인 우주배경복사(CMB) 광자와 쌍소멸 반응을 일으켜 전자-양전자 쌍으로 전환된다. 20억 광년이라는 거리에서 300 TeV 에너지를 가진 광자가 이 과정을 피하고 지구까지 도달하는 것은 현행 이론으로는 사실상 불가능하다. 기존 대안으로 제시된 '액시온 유사 입자(ALP)' 전환 메커니즘은 수십 TeV 수준까지는 설명력을 갖지만, 300 TeV에는 충분하지 않다는 것이 이번 연구의 출발점이다.

ALP 전환과 로렌츠 불변성 위반의 결합

INAF의 조르조 갈란티와 INFN의 마르코 론카델리는 두 가지 이론적 틀을 처음으로 통합했다. 하나는 광자가 전파 중 ALP로 전환됐다가 은하계 인근에서 다시 광자로 복원되는 메커니즘이고, 다른 하나는 아인슈타인 특수상대성이론의 근간인 로렌츠 불변성이 극단적 고에너지 상황에서 미세하게 수정될 수 있다는 양자중력 이론의 예측이다. 이 조합에서 극고에너지 광자는 표준 상호작용을 회피할 수 있는 전파 경로를 갖게 되며, 우주는 해당 에너지 영역에서 훨씬 높은 투명도를 보이게 된다.

도착 시간 지연이라는 두 번째 검증

이 모형의 설명력은 에너지 생존 문제에 그치지 않는다. 중국의 라사 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)가 검출한 저에너지 광자들과 비교했을 때, 300 TeV 광자는 약 1시간 늦게 도착했다. 연구팀의 모형은 이 시간 지연을 독립적으로 예측하며, 실제 관측 결과와 부합한다. 단일 이론 모형이 두 가지 독립된 관측 사실을 동시에 설명한다는 점이 이 연구의 핵심 강점이다.

의미와 한계

이번 결과가 확정적이지는 않다. 로렌츠 불변성 위반이 실제로 존재하는지는 추가 관측으로 검증해야 하며, ALP의 존재 자체도 아직 실험적으로 확인되지 않은 가설이다. 연구팀도 향후 관측이 이 시나리오를 검증하는 데 필수적임을 명시하고 있다. 다만 이 연구는 감마선 폭발이 지구의 어떤 입자가속기로도 도달할 수 없는 에너지 영역에서 양자중력 효과를 탐색하는 자연 실험실이 될 수 있음을 보여준다는 점에서 주목할 만하다.