이중 세계
| 4 |
|---|
...다음은 공동 중력 불안정 현상을 설명하기 위한 교육적 모델이다. 수영장 같은 것을 상상해보자. 수면에서 반쯤 아래, 물 속에 수평이고 유연하며 무게가 무시할 수 있는 천을 놓는다. 그 위에는 무게를 가진 공을 놓는다. 이 공들은 천 위에 무게를 가한다. 그 위에는 같은 부피를 가진 테니스공(핑퐁공)을 같은 양만큼 놓는다. 이 테니스공들은 아르키메데스의 원리에 따라 물에 떠오르는 힘을 받으며, 천에 반대 방향으로 압력을 가한다. 또한 모든 공의 지름이 같도록 조정할 수도 있다.
...무거운 공과 테니스공이 양쪽 모두에서 균일하게 분포되어 있다면, 천에 작용하는 힘의 합은 어디서나 0이 되어 천은 수평을 유지한다(곡률은 0). 그러나 우연히 무거운 공들이 어느 한쪽에 모일 수도 있다. 이 경우 천은 그 부분이 아래로 처지게 되고, 동시에 그 주변의 테니스공은 더 멀리 밀려나게 된다. 단면을 자르면 표면은 다음과 같은 모습을 갖게 된다:
무거운 공들이 모여 천을 파고들고,
테니스공들은 그 주변으로 모여든다.
...직관적으로 두 현상이 서로 반대되는 것이 아니라, 서로 보완된다고 상상할 수 있다. 파란색 웅덩이 주변에 과잉된 테니스공의 고리가 생기면, 그 웅덩이의 깊이를 더 깊게 만들고, 따라서 무거운 공들이 더욱 빛을 집중시키게 된다.
...단일 인구 집단만을 고려할 경우, 무거운 공들을 충분히 유연한 폼 매트 위에 놓아 중력 불안정을 설명할 수 있다. 무거운 공들이 우연히 어느 지점에 모이게 되면, 그 지점은 웅덩이 또는 낮은 곳이 되고, 그 주변의 공들은 그곳으로 떨어지려는 경향을 갖게 된다. 이를 우리는 '적축' 현상이라고 부른다.
...만약 천 위에 무거운 공이 없고, 아래쪽에만 테니스공을 놓는다면, 이 시스템 역시 불안정하다. 테니스공이 천의 어느 한 지점에 모이게 되면, 그 주변의 공들도 그곳으로 모이려는 경향을 갖게 된다. 두 인구 집단(무거운 공과 테니스공)을 함께 고려할 때, 이 두 가지 효과가 함께 작용하여 '공동 중력 불안정' 현상을 설명할 수 있다. 이 모델의 또 다른 장점은 두 하위 시스템 사이에 존재하는 대칭성을 잘 보여준다는 점이다.
...이 두 인구 집단 시스템을 다시 살펴보면 다음과 같은 결과가 나온다:
테니스공들이 모여 천을 위로 끌어올리고,
무거운 공들은 주변으로 밀려난다.
...이러한 아이디어를 검증하기 위해 두 가지 분포를 기반으로 계산을 수행했다:
- 냉각 물질, 밀도 r
- 밀도 r * @ 64r인 '유령 물질', 더 뜨거움: 유령 세계에서의 평균 열 운동 속도 V*th는 우리 세계의 4배이다. 이는 두 세계의 공동 팽창 연구에서 도출된 파라미터이다. [사이트 참조: 기하학적 물리학, 3, 3절 및 그림 5]
...계산은 2차원 수치 시뮬레이션을 통해 각각 5000개의 질량 점을 사용하여 수행되었다. 이 결과는 참고용일 뿐이다. 3차원 계산을 수행하려면 훨씬 더 많은 질량 점을 다뤄야 하는데, 우리의 시스템은 이를 처리할 수 없었다. 따라서 이 2차원 결과를 엄격히 해석해서는 안 된다.
...qualitatively(정성적으로) 볼 때, 유령 물질이 주도한다. 유령 물질은 비교적 빠르게 덩어리(clumps)를 형성한다(밀도의 제곱근에 반비례하는 적축 시간이 짧기 때문이다). 이러한 덩어리들은 우리 물질을 남은 공간으로 밀어내며, 그 결과로 우리 물질은 '공극 구조'를 갖게 된다. 참고: J.P. Petit, P. Midy 및 F. Landsheat, 유령 물질과 물질의 천체물리학 5: 2차원 수치 시뮬레이션 결과. VLS. 은하 형성의 가능성 있는 모델에 관하여. [사이트 참조: 기하학적 물리학 A, 8, 1998]
두 시스템을 겹쳐보면:
...이 분포의 장점은 안정적이라는 점이다. 유령 물질의 덩어리들은 공극 구조를 안정화시키고, 반대로 공극 구조는 유령 물질의 덩어리를 자신의 '망사' 안에 가두어 둔다. 이는 매우 높은 안정성(우주의 나이와 비슷한 수준)을 설명할 수 있다. 물질의 '망사'는 유령 물질의 요소들이 덩어리에서 나와 충돌(영어권에서의 'encounter' 의미, 즉 두 유령 질량 점 사이의 이항 상호작용)을 통해 가속될 때, 그들의 운동을 억제하는 전위 장벽 역할을 한다.
비고 (2000년 2월):
이 모든 계산 결과는 6년 전의 것이다. 내 책을 읽은 사람들은 이 사실을 알 수 있을 것이다. 이 흥미롭고 전망 있는 수치 시뮬레이션은 1993-1994년에 이루어졌으며, 처음에는 내 동료이자 친구인 피에르 미디가 '오래된 크레이'에서 수행했고, 이후 '프레드'라는 젊은 연구원이 익명으로 참여했다. 그는 이에 대해 완전히 동의할 수 있다고 생각한다. 당시 계산은 유럽 입자 가속기의 데이터를 처리하던 강력한 컴퓨터에서 '가짜 머리카락'처럼(즉, 비공식적으로) 수행되었다. 이후 프레드는 연구소를 옮겼고, 새 연구소에서는 이런 일이 더 이상 불가능하게 되었다. 따라서 수치 시뮬레이션 접근법은 6년 동안 포기되었다. 그러나 최근 새로운 전환점이 생겼다. 첫째, 컴퓨터의 성능은 6년 사이에 엄청난 발전을 이뤘다(속도와 특히 메모리 용량 측면에서). 이전에는 강력한 연구용 시스템에서만 가능했던 계산이, 이제는 단순한 개인 사용자도 가능하게 되었다. 두 명의 은퇴한 엔지니어, 그러나 천체물리학과 우주론에 깊은 관심을 가진 사람들이 등장했다. 자신들의 컴퓨터를 직접 프로그래밍하여, 3000개의 질량 점으로 구성된 2차원 '수치 은하'에 300개의 질량 점으로 구성된 '지나가는 동반자'를 방해자로 넣어 시뮬레이션을 수행했다. 요약하면, 고전적인 모델을 통해 '사자자리 은하'로 알려진 M51의 나선형 구조를 유도하는 것이다. 이 이미지를 보면, 바로 '10년 전 연구소에서 강력한 계산 자원을 이용해 할 수 있었던 것과 비슷하다'는 생각이 든다. 물론 나선 구조는 지속되지 않았고, 방해자가 멀어지면 사라졌다(이 부분은 오래전부터 잘 알려진 사실이다). 우리 두 엔지니어는 이 긍정적인 결과에 흥미를 느껴, 유명한 6명의 천체물리학자들에게 '지침'을 요청했지만, 누구도 예의 바르게 답을 주지 않았다. 그래서 나는 그들이 연락한 일곱 번째 천체물리학자였다. 물론 나는 이 새로운 협력자들을 매우 기쁘게 맞이했고, 즉시 새로운 시뮬레이션에 참여시켰다. 그들은 현재 매우 잘 진행되고 있으며, 앞으로 몇 달 안에 '신선한 결과'를 얻을 것으로 기대된다. 매우 흥미로운 기대다. 그 목표는 단지 은하의 탄생을 시뮬레이션하는 것이기 때문이다. 이 일은 계속 주목해야 할 사안이다.
../../bons_commande/bon_global.htm
2005년 6월 13일 이후 이 페이지의 조회 수:
