이석영 교수 연구팀, 나선은하 형성과정 세계 최고 해상도 재현

은하의 원반과 구형 구조물 생성과정 상세히 밝혀

이석영 교수(천문우주학과) 연구팀이 우리은하와 같은 나선은하의 형성과정을 세계 최고 해상도로 재현했다. 이 연구 결과는 2019년 9월판 미국천체물리학회지(Astrophysical Journal)에 실렸다.

[그림 1. 은하의 구조의 기원을 구체적으로 밝힌 논문 1면] 

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은하는 태양과 같은 별을 천억 개 이상 포함하는 우주에서 가장 복잡한 천체이다. 우리은하를 포함하여 우주의 70% 이상을 차지하는 나선은하는 나선팔을 가지는 원반과 구형 구조물로 구성되어 있는데, 그 기원에 관하여는 온갖 시나리오만 있을 뿐 구체적 이해가 부족하다. 최근 5년간 세계적인 추세 속에, 우주 거대 공간을 컴퓨터로 모의실험을 하여, 어떻게 우주가 은하들을 만들었는지 대략적인 이해를 갖게 된 것은 획기적이지만, 각 은하의 구조가 어떤 과정으로 통해 만들어졌는지는 아직 불확실하다.

[그림 2. 안드로메다 은하. 사진 출처: Robert Gendler NASA/APOD]

이 문제의 실마리를 찾기 위해 이석영 교수팀은 한국과 프랑스의 슈퍼컴퓨터를 사용하여 지름 6천만 광년의 우주 공간에 대해 수치계산 시뮬레이션을 수행하고, 그 안에서 나선은하 150여 개를 만들었다. 

이 시뮬레이션은 4800개의 컴퓨터 코어를 병렬연결하어 3천만 CPU시간 동안 수행한 결과인데, 그 공간해상도가 이전 시뮬레이션보다 20배 이상 향상되어 이전에 알 수 없던 과정을 자세히 드러냈다. 연구팀은 만들어진 모형은하를 분석하여 은하의 원반과 구형 구조물이 각각 어떤 과정을 통해 만들어졌는지를 구체적이고 수치적으로 밝혔다.

[그림 3. 컴퓨터 시뮬레이션에서 드러난 은하가 만들어져 가는 과정. 왼쪽에서 오른쪽으로 이 은하의 백뱅 후 16억년, 22억년, 33억년, 59억년 모습을 보여준다. 

맨 윗열은 은하를 원반에서 수직으로 본 모습, 가운데 열은 원반을 옆에서 본 모습, 맨 아랫열은 은하를 구성하는 별들의 역학정보을 보여준다.]

이 연구는 프랑스 파리천체물리연구소와 영국 옥스퍼드대학교와 공동으로 수행하고 있는 New Horizon 프로젝트의 첫 결실인데, 우리 대학교 석사과정을 수료 중인 박민정 연구원이 주도적으로 연구를 수행했다. 미국천문학회는 그 산하에서 출판되는 모든 학술지의 논문들 중에 가장 흥미로운 결과로 이 논문을 선정하여 AAS Nova (American Astronomical Society Nova)라는 뉴스사이트에 하이라이트로 게시했다.

[그림 4: AAS Nova에 실린 하이라이트]

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