천체물리학 시뮬레이션: 은하간 가스

아티팩트

2004년 5월 10일

어떤 것이 아티팩트인가? 라르ousse 사전에 따르면, 아티팩트란 실험이나 관측 과정에서 우연히 또는 인위적으로 나타나는 구조를 의미한다. 수치 시뮬레이션, 즉 "계산 실험"은 항상 아티팩트를 추적하는 작업을 수반한다. 우리가 '시뮬레이션'을 시도한다는 것은, 다른 시스템, 즉 아날로그 시스템을 이용해 어떤 현상을 재현하려는 시도를 의미한다. 항공역학 전문가 역시 이러한 문제에 직면하게 된다. 밀도가 높거나 온도가 높은 기체는 희박하거나 차가운 기체와는 동일한 행동을 하지 않는다. 유체역학에서는 이러한 현상이 완전히 연구된 것은 아니지만, 레이놀즈 수와 같은 유사성 기준에 따라 가능한 한 정밀하게 연구되어 왔다. 그러나 수십 년에 걸친 실험에도 불구하고 항공기 설계자들은 때때로 충격적인 결과를 경험했다. 예를 들어, 대형 군용기인 룩헤드 갤럭시를 건설할 때, 이 비행기의 구조가 항공탄성 현상에 매우 민감하다는 것이 밝혀졌다. 비행기의 날개가 떨리기 시작한 것이다. 이는 항공시험 터널과 수치 시뮬레이션에서 전혀 예측되지 않은 현상이었다. 이러한 진동은 치명적인 결과를 초래할 수 있었다. 왜냐하면 항공기의 구조 노후화는 주로 재료의 피로 현상과 관련되기 때문이다. 이 비행기의 날개 구조를 변경하기보다는, 날개의 진동을 제어하기 위해 비행 제어면을 이용한 피드백 시스템을 도입하는 것이 더 낫다고 판단했다. 미국의 우주왕복선 역시 유사한 문제를 겪었다. 특히, 설계자들은 비행기의 비행 특성을 공기 밀도가 가장 낮은 곳부터 가장 높은 곳까지 모든 층에서 고려해야 했다. 이러한 조건에서 추진력의 중심이 이동하게 되었다. 첫 비행에서 사고를 면하기 위해 애를 썼다. 표준 하중을 받았다고 판단한 우주왕복선은 갑자기 비행 자세가 불안정해졌고, 조종사는 핸들을 배에 대고 밀어넣어야 했다. 비행기는 거의 뒤집어질 정도로 기울었고, 이로 인해 상부에 설치된 절연 타일들이 과열에 노출되어 손상되었다. 이는 상부 구조가 과열에 대응하도록 설계되지 않았기 때문이다. 우주왕복선은 겨우 비행 자세를 되찾았다. NASA는 어떻게 대응했는가? 비행기의 설계를 다시 그리는 대신, 모든 하중을 뒤쪽으로 이동시키는 방법을 선택했다. 위성과 하중을 고정하는 위치를 보면, 항상 뒤쪽에 위치해 있음을 알 수 있다. 이 사실은 매우 알려지지 않았다. NASA는 이 사실을 자랑스럽게 여기지 않았다. 나는 시험 조종사로부터 이 사실을 알게 되었다.

천체물리학에서는 화면에 나타나는 시스템을 직접 관측과 비교할 수 없다. 천문학적으로 우리는 항상 정지된 이미지 상태에 머물러 있다. 따라서 문제는 본질적으로 매우 복잡하다. 게다가 우리는 모든 것을 측정하지 못한다. 앞서 기체 이론에서 공간 속 속도에 대한 매질의 구조에 대해 언급했다. 우리는 이 정보에 접근할 수 있는 범위가 태양 주변에 국한되어 있으며, 앞으로도 이와 같은 상황이 오랫동안 지속될 것으로 기대하지 못한다.

시간이 지남에 따라 측정은 크게 정교해질 것이다. 오차 범위는 줄어들 것이다. 그러나 예를 들어 나선 은하를 생각해 보자. '속도 곡선'이라는 말은 무엇을 의미하는가?

우리는 도플러 효과를 통해 속도의 반경 성분을 측정한다. 그 후 은하가 거의 평면적이고, 기체 질량의 운동이 거의 원형 궤도를 따른다고 가정하면, 이는 별들에 의해 90% 이상의 중력장을 형성한다고 가정할 수 있다(오랫동안 이 가정이 지배적이었다). 왜 기체 질량의 궤도가 거의 원형이라고 가정하는가? 그 이유는 이들의 속도 차이(즉 열운동에 해당하는 속도)가 매우 작기 때문이다. 이 속도는 회전 속도에 비해 약 1km/s 정도로 매우 작다. 따라서 천문학자들은 항상 '잔여 속도'라는 표현을 사용한다. 이는 평균 운동을 뺀 후에도 남는 속도로, ' macroscopic 운동'에 해당한다.

간단한 부연 설명: 은하간 가스는 무엇으로 이루어져 있는가? 이는 매우 복잡한 매질로, 일반적으로 수십만 태양질의 '구름'이 존재하며, 더 작은 질량의 구름들이 다양한 스펙트럼을 이룬다. 따라서 이는 기체 이론에서 말하는 '다양한 종류의 혼합물'에 해당한다. 그러나 여기서 복잡성이 증가하는 점은 이 기체 질량들이 안정적이지 않다는 것이다. 이들은 젊은 별을 형성하고, 자외선을 방출하며 기체를 가열한다. 더 강력한 현상은 초신성으로, 그 영향 범위는 수백 광년에 이른다. 이는 기체의 두께에 해당한다. 대량 별의 폭발 주기는 약 1세기마다 한 번 정도로, 은하의 자전 주기(약 1억 년)에 비하면 매우 빠른 주기다. 이는 한 회전에 약 100만 개의 초신성이 발생한다는 의미다. 이러한 초신성은 은하간 가스의 국부적 구조에 큰 영향을 미친다. 나의 박사 학위 논문(1972년)에서는 은하간 가스를, 빠르게 폭발하는 작은 폭죽이 들어간 깃털이 가득한 이불에 비유했다. 이 폭죽들은 지속적으로 무질서를 유지하고, 기체의 에너지 수준을 높였다.

이 모든 것을 모델링하고 시뮬레이션하는 방법은 무엇인가? 단지 순간적인 시각에서 은하간 가스는 매우 넓은 스펙트럼에 걸쳐 질량이 분포된 구름들의 혼합물처럼 보이지만, 이러한 구름들은 지속되지 않는다. 구름들은 흩어지고, 기화된 후 다시 다른 곳에서 형성되며, 이 과정의 속도는 우리가 충분히 오래 살지 못하기 때문에 정확히 평가할 수 없다. 우리는 마치 몇 밀리초 정도만 생존하는 곤충처럼, 구름을 바라보며 기상 현상을 이해하려는 시도를 하고 있다. 은하간 구름과 지상의 구름 사이의 비교는 결코 나쁘지 않다.

현재 우리는 수천 개의 점을 다룰 수 있다. 앞으로는 더 많은 점을 다룰 수 있을지도 모른다. 그러나 별의 형성과 은하간 기체의 가열을 시뮬레이션하기 위해 충분한 질량 점을 다룰 수 있을까? 여전히 매우 문제적이다. 우리는 항상 겸손해야 한다. 이는 더 이상의 단순화를 강요받게 되며, 그 단순화는 더 이상의 정당성 여부가 불분명해진다. 우리가 말하는 것은 '과일로 나무를 판단한다'는 말과 같다. 우리는 그 밖에 할 수 없다. 기계 자체는 메커니즘에 대한 '비전', 즉 직관적인 이해 없이는 아무것도 아니다. 그러나 새로운 세대의 천체물리학자들은 이러한 비전을 결여하고 있다. '천체와 우주'에 게재된 보고서에서 시뮬레이션의 전문가들은 "우리는 도구는 있지만, 방정식은 없다