로컬 우주의 새로운 암흑 물질 지도는 은하를 연결하는 이전에 발견되지 않은 여러 필라멘트 구조를 보여준다.
국제 연구팀이 기계 학습을 사용하여 개발한 로컬 우주 지도는 암흑 물질( dark matter)의 본질과 우리 지역 우주의 역사와 미래에 대한 연구를 가능하게 할 수 있다.
암흑 물질은 우주의 약 80 %를 차지하는 파악하기 어려운 물질이다. 또한 우주 학자들이 중력의 영향으로 은하와 다른 우주 물질의 운동을 지시하는 우주의 대규모 구조인 우주 웹(cosmic web)이라고 부르는 골격을 제공한다. 그러나 로컬 암흑 물질의 분포는 직접 측정 할 수 없기 때문에 현재 알려지지 않았다. 연구자들은 대신 은하와 같은 우주의 다른 물체에 대한 중력 영향을 기반으로 분포를 추론해야합니다.
미국 펜실베니아 주립대(Pennsylvania State University) 천문학 및 천체 물리학 부교수이자 이 연구의 교신 저자 정동희는 “역설적이게도 암흑 물질의 분포는 훨씬 덜 복잡한 아주 먼 과거를 반영하기 때문에 훨씬 더 멀리 떨어진 곳에서 연구하는 것이 더 쉽다”며 “시간이 지남에 따라 우주의 대규모 구조가 커짐에 따라 우주의 복잡성이 증가하여 암흑 물질을 로컬에서 측정하는 것이 본질적으로 더 어렵다”고 말했다.
우주 웹을 매핑하려는 이전의 시도는 초기 우주의 모델에서 시작해 수십억 년에 걸쳐 모델의 진화를 시뮬레이션했다. 그러나 이 방법은 계산 집약적이며 지금까지 지역 우주를 볼 수있을만큼 상세한 결과를 생성 할 수 없었다. 새로운 연구에서 연구원들은 암흑 물질의 분포를 예측하기 위해 은하의 분포 및 운동에 대한 정보를 사용하는 모델 구축에 기계 학습 접근 방식을 취했다.
연구진은 은하, 가스, 기타 가시 물질 및 암흑 물질을 포함하는 ‘Illustris-TNG’라는 대규모 은하 시뮬레이션 세트를 사용하여 모델을 구축하고 훈련했다. 연구팀은 특별히 은하수에 필적하는 시뮬레이션 된 은하를 선택하고 궁극적으로 암흑 물질 분포를 예측하는 데 필요한 은하의 특성을 확인했다.
“특정 정보가 주어지면 모델은 이전에 본 것을 기반으로 근본적으로 틈새를 채울 수 있습니다. 우리 모델의지도는 시뮬레이션 데이터에 완벽하게 맞지 않지만 여전히 매우 세부적인 구조를 재구성 할 수 있습니다. 은하의 움직임(방사형 특유 속도)을 포함하여 분포에 추가하여지도의 품질을 크게 향상 시켰습니다. 우리가 이러한 세부 사항을 볼 수 있도록했습니다.” 정 교수는 이렇게 설명했다.
그런 다음 연구팀은 Cosmicflow-3 은하 카탈로그에서 지역 우주의 실제 데이터에 모델을 적용했다. 이 카탈로그에는 은하수 근처에서 200 메가 파섹 이내 1만7000 개가 넘는 은하의 분포 및 이동에 대한 포괄적 인 데이터가 포함되어 있다.
연구 결과 지역 우주 웹 지도는 Astrophysical Journal 5 월 26 일 온라인으로 게재됐다.
이 지도는 ‘로컬 시트'(은하수를 포함하는 공간 영역, ‘로컬 그룹’의 인근 은하, 처녀 자리 은하단의 은하) 및 ‘로컬 공극’을 포함하여 지역 우주에서 알려진 저명한 구조를 연속적으로 재현했다.
로컬 그룹 옆에 비교적 빈 공간이 있다. 또한 은하를 연결하는 더 작은 필라멘트 구조를 포함하여 추가 조사가 필요한 몇 가지 새로운 구조를 확인했다.
정 교수는 “우주 망의 지역지도를 갖게되면 우주 연구의 새로운 장이 열릴 것”이라며 “우리는 암흑 물질의 분포가 다른 방출 데이터와 어떻게 관련되는지 연구할 수 있으며, 이는 우리가 암흑 물질의 본질을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 그리고 우리는 이러한 필라멘트 구조, 즉 은하 사이의 숨겨진 다리를 직접 연구할 수 있다”고 말했다.
예를 들어, 은하수와 안드로메다 은하가 서로를 향해 천천히 움직일 수 있다고 제안되었지만 수십억 년 동안 충돌할 수 있는지 여부는 분명하지 않다. 두 은하를 연결하는 암흑 물질 필라멘트를 연구하면 미래에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있다.
“암흑 물질은 우주의 역학을 지배하기 때문에 기본적으로 우리의 운명을 결정합니다. 그래서 우리는 지역 우주에서 어떤 일이 일어날 지보기 위해 수십억 년 동안지도를 진화 시키도록 컴퓨터에 요청할 수 있습니다. 그리고 우리 우주 이웃의 역사를 이해하기 위해 시간을 거슬러 올라가 모델을 진화시킬 수 있습니다.”
정교수는 설명했다.
연구원들은 더 많은 은하계를 추가함으로써지도의 정확성을 향상시킬 수 있다고 믿는다. 예를 들어 James Web Space Telescope를 사용하여 계획된 천문 조사를 통해 아직 관측되지 않은 희미하거나 작은 은하와 멀리 떨어진 은하를 추가할 수 있다.
