멕시코의 시에라 네그라 화산 측면에 위치한 고고도 수 체렌코프 실험(High Altitude Water Cherenkov Experiment, HAWC)에 대해 소개해드리려고 합니다. 천체물리학의 최전선에서 활약하고 있는 이 관측소는 우리 우주의 가장 에너지가 높은 현상들을 연구하고 있어요.
HAWC의 구조와 원리
HAWC는 해발 4,100m의 고도에 위치해 있습니다. 이 높이는 우주에서 오는 고에너지 입자들을 관측하기에 최적의 조건이에요. 관측소는 300개의 대형 물 탱크로 구성되어 있는데, 각 탱크에는 50,000갤런의 초순수 물이 담겨 있고 바닥에는 4개의 광센서가 설치되어 있습니다.이 관측소의 작동 원리는 체렌코프 복사를 이용합니다. 고에너지 감마선이나 우주선이 지구 대기에 부딪히면 입자 폭포(air shower)가 발생하는데, 이 입자들이 물탱크에 도달하면 물 속에서 빛의 속도보다 빠르게 움직이면서 청색 빛을 방출해요. 이것이 바로 체렌코프 복사입니다. 광센서들이 이 빛을 감지하고, 그 시간차와 강도를 분석해 입자의 에너지와 도달 방향을 알아낼 수 있죠.
HAWC의 과학적 목표
HAWC의 주요 연구 목표는 다음과 같습니다:
- 은하계 내 고에너지 감마선 원천 발견
- 은하계 평면의 확산 감마선 방출 관찰
- 활동은하핵(AGN)과 게성운의 일시적 방출 연구
- 감마선 폭발(GRB) 관측
- TeV 에너지 범위의 우주선 연구
특히 HAWC는 100 GeV에서 50 TeV 사이의 에너지를 가진 우주선을 탐지할 수 있어요. 이는 지구상의 입자 가속기가 만들어낼 수 있는 에너지의 100배 이상이에요!
HAWC의 최근 성과
최근 HAWC 관측소는 은하 중심에서 100 TeV를 초과하는 감마선을 최초로 관측하는 데 성공했습니다. 이는 페바트론(PeVatron)의 존재를 강력하게 시사하는 증거예요. 페바트론은 입자를 페타전자볼트(PeV) 에너지까지 가속할 수 있는 천체 현상을 말합니다.은하 중심에는 태양 질량의 약 400만 배에 달하는 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*가 있어요. 이 주변에는 중성자별, 백색왜성, 그리고 수백만 도의 온도를 가진 초고온 가스 구름들이 있습니다. 이런 환경은 PeV 양성자들이 주변 물질과 상호작용하기에 완벽한 조건을 제공합니다.이 상호작용으로 중성 파이온이 생성되고, 이것이 빠르게 붕괴하면서 감마선을 방출하게 됩니다. HAWC가 관측한 6~114 TeV 사이의 광자 스펙트럼이 바로 이 과정의 결과물이에요. 특히 스펙트럼에서 절단(cutoff)이 관찰되지 않았다는 점은 이 감마선들이 강입자 기원이라는 것을 강하게 시사합니다.