요약:
영국 배스대학교가 주도하는 MEGATRON 연구 프로젝트가 초기 우주에 대한 새로운 시뮬레이션 결과를 발표했습니다. 연구팀은 별 형성, 가스 이동, 별빛 복사 및 화학 원소 진화를 동일한 우주 시뮬레이션 세트에 통합하여 JWST(James Webb Space Telescope)에서 관찰한 초기 은하와 은하수 안팎의 고대 별이 남긴 화학적 "화석"을 연결하려고 시도했습니다. 연구팀은 별빛 복사와 복잡한 화학 과정을 무시하면 모델이 초기 별이 은하 주변 가스에 미치는 영향을 과소평가할 수 있다고 말했습니다.
시뮬레이션은 중원소가 거의 포함되지 않은 원시 가스에서 시작하여 최초의 별의 형성, 별이 방출하는 방사선, 초신성 같은 새로운 원소의 분산, 이후 별과 은하의 진화를 추적합니다. 종종 Population III 별이라고 불리는 1세대 별은 초기 우주에서 형성되었습니다. 그들의 방사선은 주변 가스를 변화시키고, 죽음의 폭발은 별 내부에 형성된 철, 산소, 탄소 및 기타 원소를 우주로 던져 다음 별과 행성에 원자재를 제공합니다. 연구팀은 결국 은하수 크기의 은하로 발전할 지역을 시뮬레이션하고 모델이 수십억 년 동안 은하계의 가스와 별빛의 상호 작용을 추적할 수 있도록 했습니다.
MEGATRON 프로젝트는 이번 라운드에 총 4개의 연구를 발표했습니다. 그 중 하나는 "Open Asphysical Journal"에 게재되었으며 1세대 별이 가장 작은 왜소 은하의 철 풍부도를 어떻게 형성하는지 연구하는 데 중점을 두었습니다. 고해상도 복사 유체 시뮬레이션에 따르면 항성 질량이 태양 질량의 약 100,000배를 넘지 않는 왜소 은하에서는 평균 철 풍부도가 태양 철 풍부도의 약 3/000인 "플랫폼" 구조가 형성될 수 있습니다. 즉, 천문학적 표기법인 [Fe/H]는 약 -2.5입니다. 모델은 이 특징을 인구 III 별의 쌍불안정성 초신성(PISN)과 연결합니다. 원시별의 폭발 이후 생성되고 던져진 요소는 주변 왜소은하의 가스에 보유되어 후속 별의 구성 요소가 됩니다.
시뮬레이션은 또한 원시 은하에서 생성된 강력한 라이먼-베르너 복사 배경이 불안정한 초신성이 발생하는 환경에 영향을 미쳐 초신성이 태양의 약 천만 배에 달하는 질량을 가진 암흑 물질 후광에 나타나게 할 것임을 지적합니다. 이 더 깊은 중력 포텐셜 우물에서는 폭발로 인해 튀어나온 철과 같은 원소가 그대로 유지될 가능성이 더 높습니다. 연구에 따르면 왜소 은하의 약 5분의 1은 평균 [Fe/H]가 -3 이하인 극도로 철이 부족한 범주에 속할 수 있다고 예측됩니다. 논문에서는 인구 II 별의 피드백 과정을 크게 변화시키는 모델 가정과 관계없이 철 풍부 고원과 철 함량이 낮은 꼬리가 여전히 존재한다고 밝혔습니다. 시뮬레이션에서 이러한 특징은 오늘날 큰 은하계를 공전하는 위성 왜소은하에서도 유지될 수 있습니다. 이는 JWST 관측 및 은하수의 고대 별에 대한 화학적 측정과 추가 비교가 필요한 시뮬레이션 예측입니다.
이 프로젝트는 바스대학교가 미국 시카고대학교, 프랑스 파리 천체물리학연구소 및 기타 기관과 협력하여 수행하고 있습니다. 이는 2023년에 시작되어 2030년까지 계속될 예정입니다. 팀은 더 높은 해상도와 더 많은 물리적 프로세스로 차세대 시뮬레이션을 실행하기 위해 영국 국립 슈퍼컴퓨터로부터 4천만 프로세서 시간의 후속 컴퓨팅 리소스를 확보했습니다. 이 컴퓨팅 리소스는 향후 연구 계획을 위한 것이며 이번 완성된 시뮬레이션 라운드에 사용되는 컴퓨팅 시간이 아닙니다. 연구자들은 후속 데이터를 사용하여 1세대 별의 다양한 형성 모델을 보다 직접적으로 테스트하고, 이들이 어떻게 초기 우주를 밝히고, 화학적 환경을 변화시키고, 궁극적으로 오늘날에도 여전히 관찰될 수 있는 원소의 흔적을 남겼는지 명확히 하기를 희망합니다.
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