우주에서 날아온 초고에너지 전자들

우주에는 극한 환경이 가득하다. 매우 낮은 온도에서부터 엄청난 에너지원까지 다양한 환경이 존재한다. 이러한 극한 환경 덕분에 초신성 잔해, 펄서, 활동은하핵과 같은 극단적인 천체들은 엄청난 에너지를 가진 전하를 띤 입자와 감마선을 방출할 수 있다. 이러한 입자들의 에너지는 별의 핵융합으로 생성되는 에너지보다 몇 배나 더 클 수 있다.

지구에 도달하는 감마선은 우주를 방해받지 않고 이동하기 때문에 이러한 천체들에 대해 많은 정보를 제공한다. 하지만 전하를 띤 입자인 우주선은 상황이 더 복잡하다. 우주선은 우주 곳곳에 존재하는 자기장에 의해 끊임없이 휘어지며 지구에 모든 방향에서 균일하게 도달한다. 더욱이 이러한 전하를 띤 입자들은 빛과 자기장과 상호작용하면서 에너지를 잃는다. 특히 1테라전자볼트(TeV) 이상의 에너지를 가진 초고에너지 전자와 양전자, 즉 우주선 전자(CRe)의 경우 이러한 에너지 손실이 매우 크다. 따라서 이러한 전하를 띤 입자의 우주 공간에서의 출발점을 파악하는 것은 불가능하다.

하지만 지구에서 이러한 입자들이 검출된다는 것은 강력한 우주선 가속기가 근처에 존재한다는 확실한 증거이다.

그러나 몇 테라전자볼트의 에너지를 가진 전자와 양전자를 검출하는 것은 매우 어렵다. 약 1제곱미터의 검출 면적을 가진 우주 기반 장치는 에너지가 높아질수록 점점 더 희귀해지는 이러한 입자를 충분히 포착할 수 없다. 반면 지구 대기에서 입자 샤워를 생성하여 우주선의 도착을 간접적으로 검출하는 지상 기반 장치는 우주선 전자(또는 양전자)가 유발한 샤워와 훨씬 더 빈번하게 발생하는 무거운 우주선 양성자와 원자핵의 충돌로 인한 샤워를 구별하는 데 어려움을 겪는다. 나미비아에 위치한 H.E.S.S. 천문대는 다섯 개의 대형 망원경을 사용하여 대기로 진입하는 강하게 전하를 띤 입자와 광자가 생성하는 희미한 체렌코프 복사를 포착하고 기록한다. 이러한 입자들은 대기 중에서 입자 샤워를 생성한다. 천문대의 주요 목적은 감마선을 검출하고 선택하여 그 근원을 조사하는 것이지만, 데이터는 우주선 전자를 찾는 데에도 사용될 수 있다.

 

 

 

초고에너지 전자의 기원에 대한 새로운 단서

H.E.S.S. 협력 연구진은 지금까지 수행된 가장 광범위한 분석을 통해 이러한 입자의 기원에 대한 새로운 정보를 얻었다. 천체물리학자들은 4대의 12미터 망원경으로 10년 동안 수집한 방대한 데이터 세트를 면밀히 조사하여, 배경 잡음에서 CRe를 이전보다 훨씬 효율적으로 추출할 수 있는 새로운 강력한 선택 알고리즘을 적용했다. 이를 통해 우주선 전자 분석을 위한 비교할 수 없는 통계 데이터 세트를 얻을 수 있었다.

특히 H.E.S.S. 연구팀은 최초로 40TeV에 이르는 최고 에너지 범위에서 CRe에 대한 데이터를 얻을 수 있었다. 이를 통해 우주선 전자의 에너지 분포에서 놀라울 정도로 급격한 변화를 확인할 수 있었다.

포츠담 대학의 Kathrin Egberts는 "이것은 중요한 결과로, 측정된 CRe는 우리 태양계 근처의 매우 적은 수의 천체에서, 최대 수천 광년 이내의 매우 짧은 거리에서 유래한 것으로 추정된다. 이는 우리 은하의 크기에 비해 매우 작은 거리이다"라고 설명했다.

막스 플랑크 핵물리학 연구소의 Hofmann 교수는 "우리는 이러한 상세한 분석을 통해 처음으로 이러한 우주 전자의 기원에 대한 엄격한 제약 조건을 설정할 수 있었다"고 덧붙였다. "더 큰 TeV 범위에서 매우 낮은 플럭스는 우주 기반 임무가 이러한 측정과 경쟁할 가능성을 제한한다. 따라서 우리의 측정은 중요하고 이전에 탐구되지 않은 에너지 범위에서 데이터를 제공할 뿐만 아니라 향후 몇 년 동안 벤치마크로 남을 가능성이 높다"고 Laboratoire Leprince-Ringuet의 CNRS 연구원인 Mathieu de Naurois가 덧붙였다.

 

 

지상에서 감마선을 관측하는 비밀

고에너지 감마선은 매우 특별한 현상 덕분에 지상에서 관측될 수 있다. 감마선이 대기에 진입하면 원자와 분자와 충돌하여 새로운 입자를 생성한다. 이 입자들은 눈사태처럼 지상으로 휩쓸려 내려온다. 입자들은 10억 분의 1초 동안 지속되는 섬광(체렌코프 복사)을 방출하며, 이 섬광은 특수 장비를 갖춘 대형 지상 망원경으로 관측할 수 있다.

나미비아 코마스 고원 해발 1835m에 위치한 H.E.S.S. 천문대는 2002년에 공식적으로 운영을 시작했다. 이 천문대는 5개의 망원경으로 구성되어 있다.

직경 12m의 4개의 망원경이 정사각형의 모퉁이에 위치하고, 가운데에 28m 망원경이 하나 더 있다. 이를 통해 수십 기가전자볼트(GeV, 109 전자볼트)에서 수십 테라전자볼트(TeV, 1012 전자볼트)에 이르는 우주 감마선을 검출할 수 있다. 비교하자면, 가시광선 광자의 에너지는 2~3전자볼트이다. H.E.S.S.는 현재 남쪽 하늘을 고에너지 감마선으로 관측하는 유일한 장치이며, 이러한 종류의 망원경 시스템 중 가장 크고 민감한 시스템이다.