눈에 보이지 않는 이상한 것들을 찾기 위해 과학자들은 800만 개의 아기 우주를 '키웠다'

이 허블 심장 이미지에는 매우 빠른 속도로 별을 생성하고 있는 먼 왜소 은하가 많이 포함되어 있습니다. NASA, ESA, GOODS 팀 및 M. Giavalisco(STScI/매사추세츠 대학교)

최근 일부 과학자들은 슈퍼컴퓨터에서 800만 개의 아기 우주를 배양하고 관찰하고 연구하고 이해하며 관찰했습니다. 조금씩 "성장"하세요. 이것의 목적은 우주에서 "암흑 물질"이 어떤 역할을 하는지, 그리고 그것이 인류의 운명에 어떤 의미를 갖는지 이해하는 것입니다.

1960년대 천문학자들은 우주 질량의 대부분이 우리가 볼 수 없다는 사실을 발견하고, 이 보이지 않는 질량을 '암흑물질'이라고 명명했습니다. 그 이후로 과학자들은 이러한 보이지 않는 물질이 은하의 형성과 별을 생성하는 은하의 능력에 어떤 역할을 하는지 추측해 왔습니다.

빅뱅 이론에 따르면 우주 탄생 직후 보이지 않는 '암흑물질'이 중력의 영향을 받아 거대한 '구름'을 형성하기 시작했다. '암흑물질 할로'라고 불리는 이 '구름'이 커지면서 주변 공간의 수소가 모여서 오늘날 우리가 보는 별과 은하가 형성되기 시작했습니다. 이 이론에서 암흑물질은 은하의 뼈대와 같아서 은하의 형성, 융합, 진화를 통제합니다.

남쪽 하늘에 있는 허블의 자외선 깊은 하늘. ESA/허블 및 NASA

암흑 물질의 역할을 더 잘 이해하기 위해 애리조나 대학의 Peter Behroozi와 다른 연구진은 2,000개의 프로세서가 장착된 슈퍼컴퓨터를 3주 동안 쉬지 않고 실행하여 80만 개의 서로 다른 물질을 분석했습니다. 우주가 시뮬레이션되었습니다. 이러한 각 우주에는 고유한 규칙 집합이 있습니다. 연구자들은 이 방법을 사용하여 암흑 물질과 은하 진화 사이의 관계를 이해하기를 희망합니다.

Behroozi는 우리가 컴퓨터에서 다양한 우주를 '창조'하고 이러한 우주의 특성을 실제 우주와 비교하여 어떤 규칙이 우리 우주를 지배하는지 이해할 수 있다고 말했습니다.

컴퓨터 프로그램은 가상 환경에서 각각 1,200만 개의 은하계를 포함하는 수백만 개의 우주를 지속적으로 생성합니다. 그것들은 컴퓨터 속에서 진화하며, 빅뱅 이후 4억년부터 오늘날까지의 진화 과정이 우리 눈앞에 직관적으로 제시된다.

이번 연구에 참여한 리사 웩슬러(Risa Wechsler) 스탠포드대 물리학 및 천체물리학 교수는 가장 중요한 질문은 은하가 어떻게 형성되는가라고 말했다. 이 프로젝트의 가장 흥미로운 부분은 은하의 수, 은하에 있는 별의 수, 별 형성 메커니즘 등 은하의 진화와 관련된 모든 데이터를 결합하여 과거의 A를 결합할 수 있다는 것입니다. 130억년에 걸친 우리 우주의 완전한 그림이 복원되었습니다.

이러한 시뮬레이션을 수행하려면 의심할 여지 없이 매우 강력한 컴퓨팅 성능의 지원이 필요합니다. 단 하나의 은하계를 시뮬레이션하는 데 필요한 컴퓨팅 성능은 전 세계의 모든 컴퓨터를 결합하여 100년 동안 지속적으로 실행하는 것과 같습니다. 그렇게 오래 기다릴 필요가 없도록 연구자들은 은하의 두 가지 주요 특성, 즉 은하에 있는 별의 총 질량과 은하의 별 생성 속도만 사용하여 시뮬레이션을 단순화했습니다.

시뮬레이션에서 컴퓨터 프로그램은 은하계의 별 생성률과 은하계 나이의 관계, 은하계와 은하계 간의 영향 등 몇 가지 합리적인 추측도 제시합니다. 그리고 암흑 물질 후광. 이 모든 우주의 시뮬레이션 결과는 실제 우주와 비교되며, 물리적 매개변수는 반복 과정에서 미세 조정되어 현실과 더욱 일치하게 됩니다. 이 방법을 통해 우리는 우리와 거의 똑같은 시뮬레이션된 우주를 얻게 됩니다.

Wechsler에 따르면 이 우주에서 각 은하계의 별 생성 속도는 암흑 물질 헤일로의 질량과 밀접한 관련이 있습니다. 우리 은하의 암흑물질 헤일로만큼 거대한 암흑물질 헤일로를 가진 은하계는 별 생성율이 가장 높습니다. 그녀는 은하의 질량이 더 커지면 은하에 더 많은 블랙홀이 존재하기 때문에 별 생성 속도가 제한될 것이라고 설명합니다.

실험 결과는 또한 연구자들로 하여금 초기 우주의 별 생성 속도가 암흑 물질에 의해 제어된다는 오랜 믿음이 신뢰할 만한 것인지 의문을 갖게 했습니다.

일반적으로 시간이 빠를수록 우주의 암흑 물질 밀도가 높아지고 가스의 온도가 높아진다고 믿어집니다. 이는 스타 생산에 해를 끼칩니다. 따라서 초기 우주의 많은 은하계에서는 별 생성이 매우 일찍 중단되었습니다. 그러나 시뮬레이션에서는 은하의 별 생성 속도가 더 높은 경향이 있는 반대의 결과를 보여줍니다.

앞으로 과학자들은 이 시뮬레이터를 사용하여 암흑 물질이 은하의 형태적 진화에 미치는 영향, 전체 질량과의 관계 등 암흑 물질이 은하의 특성에 영향을 미치는 더 많은 방식을 조사할 것입니다. 은하계의 블랙홀, 은하계의 초신성과의 관계, 생성 속도 등.

나선은하의 진화. NASA, ESA, P. van Dokkum(예일 대학교), S. Patel(라이덴 대학교) 및 3D-HST 팀

Wechsler는 연구원들에게 가장 흥미로운 점은 다음과 같다고 말했습니다. 질문을 던지고 답변을 찾는 효과적인 프레임워크입니다. 이는 우주를 신속하게 해석할 수 있는 완전한 계산 모델입니다.

이들 과학자들의 연구 결과는 최근 '왕립천문학회 월간지'에 게재됐다.

[참조] UNIVERSEMACHINE: z = 0?10 /mnras/article/488/3/3143/5484868에서 은하 성장과 암흑 물질 후광 집합 사이의 상관 관계