STARFORGE : 별 생성을 3D 시뮬레이션으로 볼 수 있다. (동영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-29 20:41:15
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* 가스 구름에서 별이 생성 되는 것 사실적으로 관찰
* 시뮬레이션 당 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나에 최대 3개월의 컴퓨팅 시간이 필요

STARFORGE : 별 요람의 3D 시뮬레이션
시뮬레이션은 가스 구름에서 별의 형성을 그 어느 때보다 사실적이고 자세하게 보여준다.


매혹적인 통찰력 :
천체 물리학자들이 지금까지 별 형성에 대한 가장 현실적이고 포괄적인 3D 시뮬레이션을 개발했다. 거대한 가스 구름 속 별들의 탄생을 아주 자세하게 보여준다. 특히 새로운 점은 이 모델이 별 형성을 만드는 수많은 영향 요인과 피드백을 포함한다는 것이다. 수백만 년 동안 지속된 프로세스를 빠른 동작으로 추적할 수 있다.
▲ 태양 질량 2만 개 질량과 그 안에서 발생하는 별 형성 과정을 가진 분자 구름의 3D 시뮬레이션. © Mike Grudić

 


우리의 태양, 적색 왜성 또는 태양 질량의 100배가 넘는 별 거인이든 상관없이 모든 별은 궁극적으로 유사한 기원으로 돌아간다. 그들은 한때 거대한 차가운 가스와 먼지구름에서 형성되었다. 이 구름의 일부가 난기류와 중력의 영향으로 붕괴될 때, 이 가스 덩어리의 중심은 결국 너무 뜨겁고 밀도가 높아져 핵융합이 그곳에서 발화한다. 새로운 별이 탄생한다.

복잡한 피드백

그러나 그렇게 간단하게 들리는 것은 실제로 복잡한 물리적 상호 작용 구조에 기반한다.
“별이 어떻게 형성되는지는 천체 물리학에서 핵심적인 질문이다. 그러나 광범위한 물리적 과정이 포함되어 있어 답은 진정한 도전이다”고 Northwestern University의 끌로드 앙드레 포처-기게레(Claude-André Faucher-Giguère) 선임 저자는 설명한다.
또한 별의 형성은 많은 피드백의 영향을 받는다.

한편으로 어린 별들은 우주 환경에 의해 형성되고, 다른 한편으로 그들은 주변 환경에 상당한 영향을 미치므로 더 이상의 별 탄생 조건에 영향을 미친다. 어린 별들은 방사능, 별풍 및 물질 제트를 통해 주변의 성간 매체를 변화시킬 뿐만 아니라 중력을 통해 그리고 매우 무거운 별의 경우 초신성의 초기 종말을 통해 변화시킨다.

시뮬레이션에서 이러한 모든 프로세스를 재구성하려면 시간이 많이 걸린다.
따라서 이전의 접근 방식은 대부분 개별 별의 형성과 별의 발달 수준으로 내려가지 않고 별의 요람에서 더 큰 규모의 과정을 시뮬레이션하는 데 집중했다.

 

▲ 원시 별에서 나오는 물질의 흐름은 이후 질량에 영향을 미친다. © Mike Grudić

별의 전체 요람 보기

Faucher-Giguère와 그의 팀은 최근 3D 시뮬레이션에서 개별 별까지 다양한 프로세스와 풍부한 세부 사항을 모두 재현하는 데 성공했다. STARFORGE 시뮬레이션은 최대 10만 태양 질량의 가스 구름에서 가스, 원형 별 및 별의 발달을 그 어느 때보다 현실적이고 상세한 방식으로 보여준다. 시뮬레이션에 대한 자세한 내용과 비디오는 프로젝트 페이지에서 볼 수 있다.

Northwestern University의 주 저자 미첼 가우디츠(Michael Grudić)는 “STARFORGE는 진정한 비약적인 도약이다. “다른 모델은 그러한 별 형성 구름의 작은 부분 만 고해상도로 시뮬레이션 할 수 있었지만 전체 구름은 아니었다. 그러나 큰 그림을 보지 못한 채 별의 발달에 영향을 미치는 많은 요소를 놓치고 있다.”
대량의 데이터와 프로세스를 처리하려면 시뮬레이션 당 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나에 최대 3개월의 컴퓨팅 시간이 필요했다. 

초기 별의 분사가 별 덩어리를 형성하는 방법

새로운 시뮬레이션은 이제 별 형성에 대한 열린 질문을 탐구할 수 있는 새로운 기회를 열어준다. 지금까지 별의 형성이 수백만 년 동안 상대적으로 느린 이유, 별의 후속 질량을 정확히 결정하는 이유 및 별이 일반적으로 개별적이 아닌 다중 시스템으로 형성되는 이유는 명확하지 않다.
천체 물리학자들은 이미 STARFORGE의 도움을 받아 초기의 중요한 발견을 얻었다.
입자와 방사선의 빠르고 고에너지 흐름인 초기 별의 분사는 어린 별이 얼마나 거대해지는지 결정적인 역할을 한다. 그런 분사없이 시뮬레이션을 실행했을 때 떠오르는 별은 너무 컸다. 연구원들이 분사 형성을 포함시킨 후에야 어린 별의 질량이 주변 조건과 일치했다.

Grudić는 “분사는 별 속으로의 가스 흐름을 방해한다. 그들은 가스의 일부를 날려 버리고 그 질량을 조절한다. 이전에는 분사가 이 역할을 할 수 있다고 생각했지만 전체 시스템을 시뮬레이션한 후에야 작동 방식을 이해할 수 있다”고 말했다.

<창조의 모루-천체 물리학 자들이 이 별의 요람을 명명한 방법으로 3D 시뮬레이션으로 재현되었다.>

© NASA / JPL-Caltech


보편적 현상의 기초


STARFORGE와 같은 시뮬레이션은 더 큰 관계에 대한 중요한 정보를 제공할 수도 있다.
“별의 생성을 이해하면 은하의 형성도 이해할 수 있다. 그리고 은하의 형성을 이해함으로써 우리는 우주가 무엇으로 만들어졌는지에 대해 더 많이 알게 된다”고 Grudić는 말했다.
따라서 별 형성은 말하자면 매우 근본적인 질문에 대한 교량을 나타낸다.

연구원은 "우리가 어디에서 왔는지, 우주에서 우리의 위치가 어디인지 알고 싶다면 궁극적으로 별 생성부터 시작해야 한다"라고 강조했다. 우리 인간과 지구가 만들어 낸 원자조차 한때 별에서 형성됐기 때문이다.
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021; accepted)
출처 : Northwestern University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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