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- 현재까지 초기 우주에 대한 가장 포괄적이고 동시에 가장 정확한 시뮬레이션
- 빅뱅 이후 처음 10억 년 동안 우주의 3억 광년 부분에서 무슨 일이 일어났는지 보여준다.

우주의 초기에 대한 기록 보기
생성된 우주 재이온화의 가장 크고 가장 정확한 시뮬레이션

우주 시간 여행:
천체 물리학자들이 지금까지 초기 우주에 대한 가장 크고 상세한 시뮬레이션을 만들었다. 첫 번째 은하의 복사가 우주를 어떻게 변화시키고 성간 수소 가스의 재이온화로 이어졌는지 처음으로 자세히 보여준다. 따라서 San 시뮬레이션은 우주의 결정적인 격변을 조명하는 동시에 이 시기에 대한 미래의 천문학적 관측을 준비한다. 

▲ 새로운 시뮬레이션은 처음으로 고해상도와 동시에 우주가 초기에 어떻게 발전했는지를 대규모로 보여준다. © Thesan Collaboration / CC-by 4.0

빅뱅 후 약 38만 년 후에 최초의 원자가 형성됐을 때 우주는 처음에 어둡고 차가워졌다. 우주를 밝힐 수 있는 별이 없었기 때문이다. 몇 억 년 후 최초의 별과 은하가 형성되었을 때에야 암흑기가 끝나고 또 다른 변화가 시작되었다. 어린 별의 강렬한 복사가 성간 수소 구름을 이온화하여 추가 개발을 위한 중요한 전제 조건을 만들었다.

그러나 이 우주 재이온화가 정확히 언제 일어났고 어떻게 일어났는지는 지금까지 불분명했다. 이전의 우주 초기 시뮬레이션은 복잡한 상호 작용과 그 결과를 묘사하기에는 너무 거칠거나 너무 작은 섹션을 보여주었다.

은하, 방사선, 가스 및 먼지

이제 바뀌었다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 아론 스미스(Aaron Smith)가 이끄는 팀은 현재까지 초기 우주에 대한 가장 포괄적이고 동시에 가장 정확한 시뮬레이션을 만드는 데 성공했다. 에트루리아의 새벽 여신의 이름을 따서 "테산 Thesan"이라고 명명된 시뮬레이션은 빅뱅 이후 처음 10억 년 동안 우주의 3억 광년 부분에서 무슨 일이 일어났는지 보여준다.

▲ San 시뮬레이션에서 재구성된 초기 우주의 6가지 속성의 합성 표현© Thesan Collaboration /

스미스는 "테산은 초기 우주로 가는 다리 역할을 한다"고 말했다. 시뮬레이션은 은하 형성 Illustris-TNG의 고해상도 모델을 기반으로 했으며, 이는 최초의 별 무리의 발달을 재현한다. 연구원들은 물리 법칙을 사용해 별과 은하의 복사가 환경의 가스에 어떻게 영향을 미치는지 재구성하는 새로 개발된 알고리즘으로 이를 보완했다.

이것은 우주 먼지 분포의 재구성으로 보완되었다.
세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나에서 시뮬레이션을 계산하려면 동시에 6만 개의 컴퓨팅 코어에서 3천 만 CPU 시간이 필요했다. 일반 데스크톱 컴퓨터는 3,500년이 걸렸을 것이다.

처음으로 돌아가기

그 결과 유일한 정확도로 초기 우주의 발전을 보여주는 가상의 시간 여행이 탄생했다. 시간 범위는 빅뱅 후 약 38만 년 후 원자의 형성과 우주 배경 복사 방출에서 약 10억 년 후까지다. 처음으로 재이온화를 예고하고 오늘날의 우주를 위한 길을 닦은 과정이 가시화됐다.
독일 가싱(Garching) 소재 Max Planck 천체 물리학 연구소의 엔리꼬 가랄드(Enrico Garaldi) 공동 저자는 "테산은 최초의 은하가 주변의 가스를 어떻게 변화시키는지를 정량적으로 설명하는 최초의 시뮬레이션이다"고 설명했다. 지금까지 첫 번째 결과는 현재 모델과 비교적 잘 일치하지만 이전에 알려지지 않은 세부 사항도 드러낸다.

<우리 우주의 초기 진화에 대한 테산-시뮬레이션 © Thesan Collaboration>

광 전파 및 재이온화 핫스팟에 대한 뉴스

이러한 발견 중 하나는 초기 모델은 우주의 초기에 빛과 기타 복사가 멀리 퍼질 수 없다고 가정했다. 재이온화가 끝날 무렵에만 방사선 범위가 증가했다. San 시뮬레이션은 개별 은하와 은하단의 복사를 당시 관련 UV 범위, 이른바 라이만 알파 복사를 모델링하여 이를 확인했다.

시뮬레이션은 재이온화 동안 복사 범위의 변화가 이전에 가정한 것보다 훨씬 더 극적임을 보여준다. 공동 저자인 하버드-스미소니언 천체 물리학 센터(Harvard-Smithsonian Center)의 라훌 칸난(Rahul Kannan)은 "우주의 초기에는 거리가 여전히 매우 작았지만 재이온화가 끝나면 불과 몇 억 년 만에 10배 증가 한다"고 보고했다.

첫 번째 결과는 또한 당시 가장 거대하고 가장 밝은 은하는 재이온화의 동인(動因)이었다는 것을 시사한다. "Thesan 시뮬레이션은 그 시대의 가장 밝은 은하 주위에 큰 이온화된 거품이 형성되었음을 확인시켜준다"고 연구팀은 밝혔다.

미래 망원경 관측에 추가

이 시뮬레이션은 제임스 웹(James Webb) 우주 망원경과 같은 미래의 천문 관측에도 중요하다. 날카로운 적외선 광학 덕분에 처음으로 재이온화 시대를 회상할 수 있게 되었다. Kannan은 "이것이 우리의 시뮬레이션이 필요한 곳이다. 이것은 관찰을 해석하고 우리가 보고 있는 것을 이해하는 데 도움이 될 것이다"고 설명했다.

공동 저자인 MIT의 마크 포겔스버그(Mark Vogelsberger)는 "Thesan 시뮬레이션과 모델이 James Webb 망원경이 발견한 것과 일치한다면 이것은 우주에 대한 우리의 생각을 확인시켜 줄 것이다"며 "그러나 상당한 불일치가 있을 때 초기 우주에 대한 우리의 이해가 잘못되었음을 보여준다"고 말했다.
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stac713)

출처: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Max-Planck-Institut für Astrophysik

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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