우주론 수업의 기말 시험 문제에 대해 천문학 학생들 사이에 오래된 농담이 있습니다. “우주를 설명하고 세 가지 예를 들어보십시오.” 글쎄요, 독일, 미국, 영국의 연구팀은 우주가 어떻게 생겼는지에 대한 정확한 예를 하나 이상 제공하는 쪽으로 큰 도약을 했습니다.
이를 위해 그들은 “MillenniumTNG”라는 일련의 시뮬레이션을 사용했습니다. 그것은 시간이 지남에 따라 은하 축적과 우주 구조를 추적합니다. 또한 우주의 표준 우주 모델에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 최신 우주 시뮬레이션이며 2년 전 AbacusSummit 프로젝트와 같은 야심 찬 노력에 합류했습니다.
이 시뮬레이션 프로젝트는 가능한 한 우주 진화의 많은 측면을 고려합니다. 그것은 일반(바리온) 물질(우리가 우주에서 보는 것)의 시뮬레이션을 사용합니다. 또한 우주를 형성하는 메커니즘이 여전히 모호한 암흑 물질, 중성미자 및 암흑 에너지도 포함됩니다. 이것은 긴 요청입니다.
우주 시뮬레이션
독일의 SuperMUC-NG에 있는 120,000개 이상의 컴퓨터 센터가 MillenniumTNG 데이터 작업에 사용되었습니다. 그 후 직경 약 24억 광년의 공간 영역에 약 1억 개의 은하가 형성되었습니다. 그런 다음 Durham의 Cosma8은 크기보다 더 크지만 1조 개의 시뮬레이션된 암흑 물질 입자와 100억 개의 거대한 중성미자의 작용을 추적하는 우주를 계산하는 작업에 착수했습니다.
이 크런치 수의 결과는 은하계의 구성과 분포를 반영하는 우주의 시뮬레이션 영역이었습니다. 그 크기는 우주론자들이 전체 우주와 그 역사에 대한 가정을 추론하는 데 사용할 수 있을 만큼 충분히 컸습니다. 그들은 또한 우주의 표준 우주 모델에서 “균열”을 검색하는 데 사용할 수 있습니다.
우주론적 모델과 예측
우주론자들은 우주의 진화를 설명하기 위해 그들이 제안하는 이 기본 모델을 가지고 있습니다. 우주에는 다른 종류의 물질이 있습니다. 우리 모두, 별, 행성 및 은하계를 구성하는 일반적인 바리온 물질이 있습니다. 그것은 우주의 “물건”의 5% 미만입니다. 나머지는 암흑 물질과 암흑 에너지입니다.
우주론 공동체는 이 이상한 우주 조건 세트를 “차가운 람다 암흑 물질”(LCDM, 줄여서) 모델이라고 부릅니다. 그것은 실제로 우주를 꽤 잘 묘사합니다. 그러나 몇 가지 불일치가 있습니다. 이것이 시뮬레이션이 해결하는 데 도움이 되는 것입니다. 이 모델은 은하가 복잡한 암흑 물질 필라멘트 웹을 따라 배열되어 있는 “우주 웹”에 대한 우주 마이크로파 복사를 포함하여 다양한 출처의 데이터를 사용합니다.
여전히 부족한 것은 정확히 암흑 물질이 무엇인지에 대한 좋은 이해입니다. 그리고 암흑 에너지의 경우 이는 도전입니다. 그리고 천체물리학자와 우주론자들은 LCDM과 두 가지 큰 미지의 존재를 더 잘 이해하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 위해서는 천문학자들의 민감한 새로운 관찰이 많이 필요합니다. 동전의 반대편에는 LCDM 모델이 실제로 제안하는 것에 대한 보다 자세한 예측도 필요합니다. 이는 큰 도전이며 MillenniumTNG의 대규모 시뮬레이션을 주도하는 것입니다. 우주론자들이 우주를 성공적으로 시뮬레이션할 수 있다면 이러한 시뮬레이션을 사용하여 “실생활에서” 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 있습니다. 여기에는 현대 우주와 초기 우주 모두에서 은하의 속성이 포함됩니다.
MillenniumTNG를 이용한 우주의 은하계 동향 파악 및 예측
MillenniumTNG 시뮬레이션은 “Millennium” 및 “IllustrisTNG”라는 이전 시뮬레이션 프로젝트를 따릅니다. 이 새로운 그룹은 은하의 진화 및 형태(또는 형태)와 같은 것에 대한 이해의 일부 격차를 지적하는 도구를 제공합니다.
천문학자들은 “내재적 은하 정렬”이라고 불리는 것에 대해 오랫동안 알고 있었습니다. 이것은 기본적으로 아무도 완전히 이해하지 못하는 이유 때문에 은하가 유사한 방향으로 모양을 향하게 하는 경향입니다.
약한 중력 렌즈 효과는 우리가 은하 정렬을 보는 방식에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다. MillenniumTNG 시뮬레이션을 통해 천문학자들은 시뮬레이션 정렬을 사용하여 “실제 세계”에서 이러한 정렬을 측정할 수 있습니다. 팀원인 Ana Maria Delgado에 따르면 이것은 큰 발전입니다. “아마도 은하 방향의 본질적인 정렬에 대한 우리의 결정은 약한 렌즈 효과와 우주 마이크로파 배경에서 추론된 클러스터 물질의 진폭 사이의 현재 불일치를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다.
과거의 소리
우주론의 다른 분야와 마찬가지로 MillenniumTNG 그룹은 시뮬레이션을 통해 아주 어린 우주를 조사하고 있습니다. 이것은 최초의 별이 이미 밝게 빛나고 최초의 은하가 진화한 재이온화 시대 이후의 시간입니다. 초기 은하 중 일부는 매우 커서 젊은 우주의 맥락에서 벗어난 것 같습니다. 그들은 JWST(James Webb Space Telescope)에 의해 목격되었으며 질문은 남아 있습니다. 빅뱅 이후 짧은 시간에 어떻게 그렇게 거대해졌습니까?
MillenniumTNG 시뮬레이션은 일부 초기 은하가 짧은 시간에 기하급수적으로 성장하는 이러한 경향을 복제하는 것으로 보입니다. 일반적으로 이것은 빅뱅 이후 약 5억 년 후입니다. 그렇다면 이 은하들은 왜 그렇게 거대할까요? 천문학자 Rahul Kannan은 이것을 설명하기 위해 몇 가지 아이디어를 제공합니다. “아마도 별 형성은 후기에 비해 빅뱅 직후에 더 효율적이었을 것입니다. 또는 거대한 별이 그 당시 더 빠른 속도로 형성되어 이 은하를 비정상적으로 밝게 만들었을 수 있습니다.”라고 그는 설명했습니다.
이제 JWST가 우주 역사의 초기를 살펴보고 있으므로 시뮬레이션이 발견한 것을 예측하는지 확인하는 것이 흥미로울 것입니다. Keenan은 실제 우주와 시뮬레이션 사이에 균열이 있을 수 있다고 제안합니다. 그런 일이 발생하면 우주 역사의 초기 시대에 대해 우주론자들에게 또 다른 난처한 질문을 던질 것입니다.
시뮬레이션 및 실제 우주 탐사의 미래
향후 수십 년간의 우주론 연구는 밀레니엄 TNG와 같은 시뮬레이션의 이점을 크게 누릴 것입니다. 그러나 시뮬레이션은 받은 데이터와 과학 팀이 가정한 만큼만 우수합니다. MillenniumTNG는 방대한 정보 데이터베이스와 데이터를 처리하는 슈퍼컴퓨터의 기능을 활용합니다. 팀의 수석 연구원인 Max Planck Institute의 Volker Sprengel 교수에 따르면 3페타바이트 이상의 데이터를 생성한 시뮬레이션은 우주론의 주요 자산입니다.
“MillenniumTNG는 은하 형성 시뮬레이션의 최근 발전을 대규모 우주 구조 분야와 결합하여 은하와 우주의 암흑 물질 백본의 연결에 대한 이론적 모델링을 개선할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “이것은 중성미자의 질량이 대규모 구조 데이터에 의해 어떻게 더 잘 제한될 수 있는지와 같은 우주론의 핵심 질문을 발전시키는 데 매우 유용할 수 있습니다.”
그의 예측은 확실히 MillenniumTNG 프로젝트의 목표와 일치합니다. 팀은 거의 10년 전에 생성된 암흑 물질 전용 밀레니엄 시뮬레이션 외에도 유체 역학 시뮬레이션을 실행한 IllustrisTNG 프로젝트의 성공을 기반으로 계속해서 구축하고 있습니다. 팀의 시뮬레이션은 다양한 은하 주제를 연구하는 데 사용되었습니다. 여기에는 물질의 집합체와 은하의 후광, 은하단과 그 분포, 은하 형성 모델, 초기 우주의 은하단, 은하의 고유 정렬 및 기타 관련 주제가 포함됩니다. 그들이 우주를 완전히 정의할 수는 없지만(세 가지 예를 들음) MillenniumTNG 팀은 우주의 기원과 진화를 이해하는 데 큰 진전을 이루고 있습니다.
