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우주초기부터 현재에 이르는 세계 최대 규모의 암흑물질 시뮬레이션

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-05-07
  • 조회수 : 2334
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개요

치바대학, 도쿄 경제 대학, 에히메 대학, 도쿄 대학, 분쿄 대학으로 구성된 연구 그룹은 이화학 연구소 계산 과학 연구기구의 슈퍼 컴퓨터 「쿄 (케이)」※1 와 국립 천문대의 「아테루이」※2 를 사용한 세계 최대 규모의 우주 구조 형성 시뮬레이션을 실시, 우주 초기부터 현재에 이르는 약 138억 년의 암흑 물질의 구조 형성과 진화 과정을 기존보다도 훨씬 좋은 정밀도로 밝혔다. 이번 성과는 일본 천문 학회 간행 로마자 연구보고지, Publications of the Astronomical Society of Japan 인터넷 판에 5월 1일에 게재된다.

배경

우주에는 우리가 직접 보고 있는 물질(바리온 ※3) 이외에, 암흑 물질이라고 불리는 물질이 질량에서 5배 정도 존재하는 것으로 알려져 있다. 암흑 물질은 중력에서만 상호작용하고 우주의 중력적인 구조 형성, 진화의 주요 역할을 하고 있다. 그리고 중력에 의해 암흑 물질 헤일로(이하 헤일로)라고 불리는 거대한 구조를 만들고 있으며, 그 크기는 헤일로(후광) 내부에 존재하는 매우 빛나는 은하의 약 10배나 된다고 생각하고 있다.

헤일로는 먼저 작은 것부터 형성되고 그것들이 합체를 반복하여 크게 성장하고 있다. 이와 같이 계층적으로 구조를 형성하면서 헤일로 중에 가스가 식어 수축하여 별이 탄생하고 은하와 은하단 같은 거대한 천체가 형성되고 있다고 생각하고 있다. 또한 헤일로 합체에 계속해 헤일로 내부의 은하가 합체하면 대량의 가스가 은하 중심에 존재하는 블랙홀에 공급되어 블랙홀이 성장하는 것과 동시에, 활동 은하핵 ※4 으로 매우 빛나고 있다고 생각되고 있다.

헤일로의 공간 분포를 시뮬레이션에서 밝히는 것으로서 은하와 활동 은하핵의 공간 분포도 추정할 수 있다. 그런데 태어나서 얼마 되지 않은 우주에서는 아직 구조가 충분히 발달하지 않았고, 은하와 활동 은하핵을 품는 것 같은 큰 헤일로는 많지 않다. 이러한 헤일로의 진화를 해명하기 위해서는 더 광대한 우주공간을 시뮬레이션하고 많은 헤일로가 나타나도록 할 필요가 있다. 그러나 지금까지 전 세계적으로 실시되어온 시뮬레이션에서는 사용하는 입자 수가 부족하여 하나의 시뮬레이션 입자의 질량이 은하에 필적할 만큼 커져 버려, 헤일로 구조를 이해하기에는 불충분했다.

 

연구 방법과 결과

슈퍼 컴퓨터 「쿄」와 「아테루이」의 "강력한 계산 능력을 활용하여 우주 초기부터 현재에 이르는 약 5,500억 개의 암흑 물질 입자의 중력 진화를 계산했다. 계산된 공간 크기는 최대로 한 변이 약 54억 광년에 달하는 광대한 것이다. 이정도 큰 공간에서 시뮬레이션으로서는 세계 최고의 해상도이며, 은하 규모 헤일로의 계층적 형성을 쫓는 시뮬레이션으로는 세계 최대이다.

사용한 중력 다체 시뮬레이션 코드 GreeM※5은 연구 그룹의 멤버들이 개발해 온 것으로, 고성능 컴퓨팅에 관한 국제 회의 SC12 (2012년 미국 솔트 레이크 시티 개최)에서 골든벨 상을 수상했다.

시뮬레이션 결과에서 헤일로를 검출하고 헤일로의 계층적 구조 형성사를 모델링하고 있다. 데이터는 약 1페타바이트에 달한다. 이정도의 빅 데이터가 되면 해석하는 것만으로도 슈퍼 컴퓨터의 이용이 필수적이다.

이번 최대 규모의 시뮬레이션 외에 공간 크기와 하나의 시뮬레이션 암흑 물질 입자의 크기가 다른 여러 개의 시뮬레이션을 실시했다. 그렇게 함으로써 질량 규모로 환산하여 약 8자리에 이르는 범위에서 헤일로 구조 형성사를 모델링하는 것이 가능하게 되었다. 초기 우주에서 현재에 걸쳐 왜소 은하에서 은하단에 이르는 다종다양한 천체의 형성, 진화 과정, 그리고 공간적 분포를 탐구할 수 있게 된 것이다.

 


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