우주의 빅뱅 이후 불과 수 밀리초(1000분의 1초) 후에, 혼돈이 지배했다. 원자핵이 뜨겁고 광란한 운동으로 융합되고 산산조각났다. 엄청나게 강력한 압력파가 만들어져 물질을 매우 꽉 쥐어짜 블랙홀이 만들어지는데, 이 블랙홀을 천체물리학자들은 원시 블랙홀이라 부른다.

원시 블랙홀이 1억년 이후 태어날 우주 최초의 별 생성을 촉진할까, 아니면 방해할까?

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슈퍼컴퓨터 시뮬레이션이 이러한 우주적 질문을 조사하는 데 도움을 주었다. 시뮬레이션은 Austin에 위치한 Texas 대학에 위치한 Texas Advanced Computing Center (TACC)의 Stampede2 슈퍼컴퓨터에서 진행되었다.

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“우리는 최초의 별 형성에 대한 밑그림이 원시 블랙홀로 인해 실제로 변하지는 않는다는 것을 발견했습니다.” Cambridge 대학의 박사후 연구원인 Boyuan Liu가 말했다. Liu는 컴퓨터 천체물리학 연구의 주저자인데, 이 연구는 2022년 8월 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society에 수록되었다.

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초기 우주에서, 천체물리학의 표준 모델은 블랙홀이 중력적 끌어당김으로 인해 헤일로와 같은 구조를 형성한다고 주장하는데, 마치 먼지 입자로 구름이 형성되는 방식과 유사하다. 이것은 별 생성에 도움이 되는데, 이러한 구조들은 물질이 첫 번쨰 별과 은하로 합쳐지는 것을 돕는 발판의 역할을 했다.

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하지만, 블랙홀은 가스나 블랙홀로 떨어지는 잔해로 인한 열을 발생시키기도 한다. 이것은 블랙홀 주변 뜨거운 강착 원반을 만드는데, 주변 가스를 이온화하고 데우는 강력한 광자를 방출한다.

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그리고 그것은 별 형성을 방해한다. 가스는 핵 반응이 촉발되어 별이 불타오르게 할 만큼 충분히 높은 밀도로 압축될 수 있게끔 식어야 하기 때문이다.

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“우리는 이러한 두 가지 효과(블랙홀 가열과 촉진)는 거의 서로를 상쇄하고, 마지막 충격은 별을 형성하기에 작다는 것을 발견했습니다.” Liu가 말했다.

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어떤 효과가 다른 효과를 이기느냐에 따라, 원시 블랙홀로 인한 별의 생성이 가속되거나 지연, 또는 방지될 수 있다. “이것이 원시 블랙홀이 중요할 수 있는 이유입니다.” 그가 덧붙였다.

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Liu는 최첨단 우주론적 시뮬레이션으로만 두 효과 사이의 상호작용을 이해할 수 있다고 강조했다.

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원시 블랙홀의 중요성에 관해서, 이번 연구는 또한 원시 블랙홀이 최초의 별들과 상호작용하고 중력파를 만들어낸다는 것을 암시했다. “원시 블랙홀은 초거대질량 블랙홀의 생성을 촉발시킬 수 있을지도 모릅니다. 이러한 측면은 후속 연구에서 조사할 것입니다.” Liu가 덧붙였다.

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연구를 위해, Liu와 동료들은 중력 유체역학, 구조 형성 및 초기 별 생성의 화학 및 냉각의 최첨단 수치 체계를 위한 도구로 우주론적 유체역학 확대 시뮬레이션을 사용했다.

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“원시 블랙홀의 주요 효과는 블랙홀이 구조의 씨앗이라는 것입니다.” Liu가 말했다. 그의 팀은 원시 블랙홀의 가열을 포함할 뿐만 아니라 이러한 과정을 구현한 모델을 만들었다.

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이후 그들은 블랙홀 강착과 피드백을 위한 서브-그리드 모델을 추가했다. 이 모델은 블랙홀이 어떻게 가스를 강착하는지, 그리고 블랙홀이 어떻게 주위를 가열하는지에 대해 매 단계마다 계산한다.

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“이것은 급조된 시뮬레이션에서 알려진 블랙홀 주변 환경에 기반합니다.”라고 Liu가 말했다.

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XSEDE는 TACC의 Stampede2 시스템에 대한 과학 팀 할당을 수여하도록 했다.

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“계산 천체물리학에서 슈퍼컴퓨터 자원은 절대적으로 필요하죠.” 연구의 공동 저자이자 UT Austin천문우주학과 교수이며 학과장인 Volker Bromm이 말했다.

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Bromm은 이론 천체물리학에서 우주 구조의 형성과 진화를 이해하기 위한 지배적인 패러다임은, 우주 자체의 ‘각본’인 물리학의 지배적인 방정식을 따르는 ab initio 시뮬레이션을 사용하는 것이라고 설명했다.

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ab initio 시뮬레이션은 우주의 초기 조건부터 우주배경복사 관측에 기초한 높은 정밀도까지의 데이터를 사용한다. 그리고 시간 단계별로 우주의 진화를 따르는 시뮬레이션 상자가 설치된다.

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하지만 구조 형성의 계산 시뮬레이션에서의 어려움은, 수백만에서 수십억 광년 그리고 수십억 년의 우주의 거대한 규모가 항상 화학이 일어나는 원자 규모와 맞물리는 방식에 있다. 

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“소우주와 거대한 우주는 상호작용합니다.” Bromm의 설명이다.

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“TACC와 XSEDE의 자원들은 계산 천체물리학의 한계를 넓혀가는 데 절대적으로 필수적이었습니다. UT Austin의 모든 이들 - 학부생, 박사후 연구원, 학생 - 은 최고의 슈퍼컴퓨터 센터의 존재 덕분에 혜택을 받죠. 매우 감사드립니다.” Bromm은 덧붙였다.

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“만약 우리가 최초의 별을 만들어낼 하나의 일반적 구조를 조사한다면, 우리는 이러한 후광이나 구조를 완벽히 해결하기 위해 100만 개의 요소가 필요합니다.” Liu가 말했다. “이것이 우리가 TACC에서 슈퍼컴퓨터를 사용해하 하는 이유죠.”

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Liu는 Stampede 2를 사용하면, 노트북에서 몇 년이 걸리는 시뮬레이션이 100개의 코어를 통해 불과 몇 시간만에 완료될 수 있으며, 메모리와 데이터를 읽고 쓰는 데 발생하는 병목 현상은 언급할 필요도 없다고 말했다.

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Bromm은 “우리 연구의 전반적인 게임 계획은 빅뱅의 간단한 초기 조건으로부터 우주가 어떻게 변했는지를 이해하기를 원하는 것입니다.”라고 설명했다.

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빅뱅으로부터 나타난 구조들은 암흑물질의 역학적 중요성에 의해 이끌렸다.

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암흑물질의 본질은 과학에서 가장 큰 수수께끼 중 하나로 남아있다.

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이러한 가상의 그러나 관측할 수 없는 물질에 대한 단서는, 불가능한 은하의 회전 속력에서 보이는 것처럼, 부인할 수 없다. 우리은하와 같은 은하들의 모든 별과 행성의 질량은 그것들이 흩어지는 것을 막을 충분한 중력을 가지고 있지 않다. ‘x-factor’는 암흑물질로 불리지만, 아직 실험실에서 검출하지는 못했다.

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그러나, 2015년 LIGO에 의해 처음으로 중력파가 검출되었다.

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“원시 블랙홀이 우리가 지난 7년 간 검출해온 중력파 현상을 설명할 가능성이 있습니다. 우리에게 동기를 부여하죠.” Liu가 말했다.

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Bromm은 다음과 같이 말했다. “슈퍼컴퓨터는 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 전례 없는 통찰을 가능하게 만들고 있습니다. 우주는 우리에게 극도로 이해하기 힘든 극한 환경을 제공하죠. 그리고 이것은 훨씬 더 강력한 계산 아키텍쳐를 만들고 더 나은 알고리즘 구조를 고안할 동기를 부여합니다. 모두에게 이익이 되는 엄청난 아름다움과 힘이 있습니다.”

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“항성질량 원시 블랙홀이 최초의 별 형성에 미친 영향”이라는 이번 연구는 2022년 8월 Monthly Notice of the Royal Astronomical Society에 발표되었다. 연구 저자들은 Austin에 위치한 Texas 대학의 Boyuan Liu, Saiyang Zhang, 그리고 Volker Bromm이다. Liu는 현재 Cambridge 대학에 근무 중이다.

기사 출처: https://www.technology.org/2022/08/16/first-stars-and-black-holes/