초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
은하단은 우주에서 가장 밀도가 높은 극한의 환경이다. 표준 우주론에 기반한 수치실험들은 은하단의 배경인 거대 암흑 헤일로가 반지름이 수 십 Mpc에 이르는 거대한 공간에서 형성된 우주 구조물들이 계층적으로 병합하며 형성되었음을 보여주었다. 그러므로 은하단에서 발견되는 모든 은하들이 처음부터 은하단과 함께 형성되고 성장한 것은 아니며, 다양한 환경에서 성장해온 은하들이 모여 형성된 곳이다. 그리고 은하단의 고밀도 환경은 은하단으로 유입된 은하의 진화를 촉진하여 은하단 은하들의 고유한 특

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
은하단은 우주에서 가장 밀도가 높은 극한의 환경이다. 표준 우주론에 기반한 수치실험들은 은하단의 배경인 거대 암흑 헤일로가 반지름이 수 십 Mpc에 이르는 거대한 공간에서 형성된 우주 구조물들이 계층적으로 병합하며 형성되었음을 보여주었다. 그러므로 은하단에서 발견되는 모든 은하들이 처음부터 은하단과 함께 형성되고 성장한 것은 아니며, 다양한 환경에서 성장해온 은하들이 모여 형성된 곳이다. 그리고 은하단의 고밀도 환경은 은하단으로 유입된 은하의 진화를 촉진하여 은하단 은하들의 고유한 특성을 갖도록 했을 것이다. 우주 초기부터 고밀도 지역인 원시 은하단과 다양한 환경에서 은하단으로 모여든 은하의 복잡한 진화 양상을 정교하게 모사하기 위해서 고분해능 유체수치실험이 필요하다. 또한 우주거대구조의 형성과정에서 은하의 진화를 온전히 그려내려면 거대 공간 기반의 우주론적 수치실험이 필요하다. 이 연구는 대규모 우주론적 유체수치실험과 고분해능 이상적 유체수치실험을 병행해 은하단과 같은 극한 환경의 형성 과정과 이 환경이 은하에 주는 영향을 10 pc 규모부터 1Gpc 규모까지 계층적으로 살펴볼 예정이다. 그리고 이 연구를 통해 곧 열릴 심우주 전천탐사 시대에 한 발 앞서 관측 해석의 틀과 이론적 예측을 제공하고자 한다.

◼ 전체 내용
1. 원시 은하단의 형성과 진화
원시 은하단은 현재 우주에서 발견되는 은하단의 초기 형태로 당시 우주에서 가장 밀도가 높았던 곳이며, 따라서 그 어느 환경보다 빠르게 은하가 형성되었을 것이라 여겨진다. 다양한 환경에서 형성된 은하가 원시 은하단으로 모여드는 과정에서 흥미로운 은하 진화가 일어나는 곳이기도 하다. 이에 많은 연구자들이 깊은 관심을 가지고 우주 망원경과 지상 대형 망원경을 이용한 심우주 탐사 관측에서 원시 은하단을 탐색중이다. 기존 관측 연구들은 초기 우주에서 은하의 개수 밀도가 충분히 높은 지역을 원시 은하단이라 가정하며, 이론 연구들은 은하단의 병합트리를 추적하여 원시 은하단을 탐색하였다. 기존 관측 연구의 탐색 기준은 체계적이거나 일관되지 못하며, 이론 연구의 방법론은 관측에 적용이 불가능하다. 본 연구에서는 관측된 은하 분포로부터 원시 은하단을 찾기 위한 체계적인 탐색 방법과 원시 은하단의 정의를 우주론적 유체수치실험 Horizon Run 5 (HR5)를 활용하여 제시하고자 한다. 또한 HR5에서 찾은 원시 은하단에서 은하의 진화 과정을 자세히 살펴보고 고밀도 환경의 형성 과정과 은하 진화의 상관관계에 대한 심도있는 이해를 도모하고자 한다.
2. 은하단 내 램 압력이 은하 진화에 주는 영향
물체가 유체를 통과할 때 가해지는 램 압력은 은하단에 유입된 은하로부터 성간물질을 효과적으로 제거할 수 있는 물리 기작으로 꼽힌다. 램 압력은 은하뒤편에 관측 가능한 특이 구조를 형성하는 것으로 예측되었고, 많은 관측 연구들이 이 특이 구조를 밝혀내면서 램 압력은 은하단 내 환경 효과의 주요 물리기작으로 받아들여지고 있다. 지금까지 램 압력의 비선형적인 물리 과정을 이해하기 위한 다양한 유체수치실험 기반 연구들이 수행되어왔다. 그러나 기존 수치실험들은 매우 제한적이거나 단순한 물리 과정만 고려하고 성간물질의 상태변화, 별 생성, 그리고 초신성에 의한 피드백 등 실제 은하 환경에서 벌어지는 복잡한 물리 현상이 제대로 기술되지 않았다는 한계가 있다. 본 연구에서는 별 생성, 초신성 에너지 방출에 의한 피드백 현상, 기체 냉각, 복사전달과정에 의한 기체의 이온화 과정 등의 물리 과정을 계산 가능한 최신 유체 코드를 활용하여 램 압력이 은하에 주는 영향을 20pc 이상의 분해능으로 정교하게 수치 실험하고 이 결과를 기반으로 은하단 환경에서 은하가 램 압력에 의해 진화하는 과정을 심도있게 이해하고자 한다.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
1단계 연구에서는 1) 우주론적 유체수치실험 HR5 스냅샷을 후처리하여 헤일로와 은하 등의 구조물을 찾고 이 결과물을 다양한 활용 연구에 사용될 수 있도록 은하 및 헤일로 목록 제작 2) HR5 헤일로 및 은하 목록에서 원시 은하단을 찾은 후 이를 활용해 원시 은하단에서 은하의 형성과 진화 연구 3) 고분해능 복사전달 유체수치실험을 활용하여 은하단 내 램 압력에 의해 특이 구조를 가지는 은하의 형성 기작 연구를 주요 목표로 제시한다.
❏ 연구 내용
1) HR5는 한 변의 길이가 약 1cGpc인 정육면체 공간의 중심을 가로지르는 전체 부피 1/80 영역을 최대 1kpc의 공간 분해능으로 계산한 세계 최대 규모의 우주론적 유체수치실험이다. HR5는 적색이동 0.625까지 약 1PB에 이르는 146개의 스냅샷으로 구성되어 있다. 본 연구책임자는 HR5 연구팀이 자체 개발한 헤일로 탐색 코드 PGalF를 이용하여 자체 중력으로 형성된 구조물들을 찾고 이 결과물로부터 헤일로 및 은하 목록을 제작하였다. 후처리 결과물과 이에 대한 활용 매뉴얼을 제작하여 HR5 위키 웹에 게시하고 다양한 응용 연구 수행을 돕는다.
2) HR5는 적색이동 0.625에서 마무리되었으므로 적색이동 0에서 은하단이 될 것으로 예상되는 헤일로 가운데 상당수가 충분히 성장하지 못한 상태이다. 따라서 HR5의 동일 초기조건에서 공간 분해능을 16kpc으로 낮춘 유체수치실험HR5-Low를 수행하고 적색이동 0에서 은하단들을 찾았다. 그리고 이 은하단들을 구성하는 암흑물질의 분포 영역을 감싸는 Lagrangian volume을 HR5의 마지막 시점과 동일한 적색이동 0.625에서 만든 후 이를 HR5에 적용하여 은하단 후보들을 선별하였다. 그리고 이 은하단 후보들의 은하 병합트리를 추적하여 ‘정답’ 원시 은하단을 찾아내었다. 한편 이 연구에서는 은하 분포로부터 원시 은하단을 찾아내기 위해 Spherical collapse model을 활용하는 방법론을 제시한다. 이 방법론의 유효성을 앞서 찾아낸 HR5 정답 원시 은하단을 이용해 검증하고 체계적인 원시 은하단 탐색 방법과 정의를 제시한다.
3) 은하단 내 강한 램 압력은 강력한 환경효과로서 해파리 은하 등 특이 은하를 만든다고 알려져 있다. 꼬리 영역에서 별생성과 다량의 분자운이 발견된 해파리 은하들이 공통적으로 은하 본체의 기체 함량이 현재 매우 높거나 최근까지 높았을 것으로 추정되는 흔적을 가진다는 사실에 착안하여 기체 함량이 높은 은하가 강한 램 압력을 겪을 때 해파리 은하가 형성되었을 것이라는 가설을 세우고 이를 검증하기 위한 복사 유체수치실험을 수행하였다. 실험 결과 램 압력에 의해 뒤로 밀려난 성간물질이 Intralcluster medium (ICM)과 혼합되어 은하로부터 수십 kpc 떨어진 영역에서 대량의 warm ionized cloud를 형성하였고, 결국 냉각 수축하여 고밀도의 분자운을 만들었다. 뿐만 아니라 이 곳에서 별이 만들어지며 뚜렷한 해파리 은하의 특징이 잘 재현되었다. 유체의 HI, HII, 전자밀도를 기반으로 해파리 은하의 Hα와 X선 밝기를 계산하고 이를 관측과 비교하여 본 모형의 타당성을 검증하였다.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
2단계 연구에서는 1단계에서 수행한 연구를 심화하여 1) 전환 반경으로 정의된 원시 은하단에서 은하의 진화 연구 2) 사실적 환경의 램 압력이 은하에 주는 영향 연구를 수행하고자 한다.
❏ 연구 내용
1) 본 연구과제의 1단계에서는 은하의 분포로부터 원시 은하단을 탐색하는 체계적인 방법론을 Spherical collpase model을 기반으로 제시하고 원시 은하단의 범위를 중력 수축이 허블 팽창을 상쇄하는 전환 반경 안쪽으로 하는 정의를 제시하였다. 전환 반경 내에서는 은하들이 평균적으로 공통의 중심을 향하여 자유낙하 하므로 유사한 환경을 경험하는 은하들이라고 볼 수 있기 때문이다. 전환 반경 내에서는 은하가 외부 유체와 상호작용 하며 뚜렷한 램 압력을 겪을 수 있고, 조석 작용 또한 강할 것이다. 그리고 이와 같은 물리적 조건은 원시 은하단이 점차 은하단으로 성장하며 강해질 것이다. 이 연구에서는 원시 은하단 전환 반경 내외에서 시간에 따른 은하의 특성 변화를 살펴보고 원시 은하단이 고밀도 환경으로써 뚜렷히 은하 진화에 영향을 발휘하기 시작하는 시점과 조건을 제시하고자 한다. 이를 통해 제임스웹 우주망원경과 차세대 지상 대형 망원경을 활용한 원시 은하단 관측 연구에 이론적 해석의 틀을 제시하고자 한다.
2) 1단계 연구에서는 뚜렷한 해파리 은하의 특성이 형성될 수 있는 기작을 고분해능 복사전달 유체실험을 통해 제시하였다. 한편 여러 관측 연구에 의하면 은하단 내에는 적어도 1μG 이상의 강력한 자기장이 존재한다고 알려져 있다. 자기장은 일반적으로 유체의 불안정성을 억제하며 서로 다른 유체의 혼합 효율을 저하시킨다고 알려져 있으므로 1단계 연구에서 제시한 성간물질과 ICM의 혼합에 의한 해파리 은하의 형성에도 영향을 줄 수 있다. 따라서 자기화된 ICM에 의한 램 압력이 은하에 주는 영향을 복사 자기유체수치실험을 통해 살펴보고자 한다. 은하군이나 은하단 등 실제 환경에서 은하는 고유 운동을 하며 지속적으로 변하는 램압력을 겪는다. 질량이 작은 왜소은하는 은하군 환경 수준의 램 압력에도 가시적인 성간물질 손실을 겪을 수 있다. 따라서 더욱 사실적인 물리 조건과 환경 조건이 갖춰진 복사 유체수치실험을 통해 램 압력의 영향을 더욱 깊이 이해하고자 한다.

□ 연구성과
본 연구과제에서는 우주론적 유체수치실험 HR5와 고정밀 복사전달 유체수치실험을 활용하여 다음과 같은 성과 달성을 목표로 한다.
1단계
1) HR5 데이터 후처리 및 은하/헤일로 목록 제작과 공개
- 웹페이지를 통해 공동 연구자들에게 자료 공개하고 이를 통해 다양한 응용 연구 수행, 결과 논문 출판
2) 은하단 내 램 압력이 은하에 주는 영향 연구
- 결과 논문 출판 및 학회 발표
3) 체계적인 원시 은하단 탐색 방법과 물리적 정의 제시
- 결과 논문 출판 및 학회 발표
2단계
1) 전환 반경으로 정의된 원시 은하단에서 은하 진화 연구
- 결과 논문 출판 및 학회 발표 예정
2) 사실적 환경의 램 압력이 은하에 주는 영향 연구
- 결과 논문 출판 및 학회 발표 예정

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
HR5 데이터 후처리를 통해 생산한 은하 및 헤일로의 목록, 병합트리 등 자료는 다양한 활용 연구에 활용되고 있다. HR5는 현존 1kpc급 분해능의 어느 유체 수치실험보다 큰 공간 규모를 가지고 있으므로 제임스웹 우주망원경 시대에 초기 우주 연구에 최적의 도구를 제공한다. 이를 기반으로 현재까지 6편의 논문이 출판되었거나 최종 심사단계에 있으며, 여러 프로젝트가 활발히 진행중이다. 원시 은하단 탐색 및 정의 연구는 은하 분포로부터 체계적으로 원시 은하단을 찾기 위한 일관된 이론적 기반을 제시하였다. 이 결과는 향후 다양한 차세대 관측장비를 통해 수행될 원시 은하단 탐사에 활용될 수 있다. 램 압력이 은하에 주는 영향 연구는 사상 처음으로 복사전달 과정을 고려하여 해파리 은하를 구성하는 기체의 이온화 과정을 체계적으로 추적 계산한 모형을 제시한 다. 이를 통해 HI, CO, Hα, 그리고 X선까지 주요 관측 파장영역의 특성을 자기 모순 없이 구현하였다. 이는 이미 수행되었거나 향후 수행될 다양한 해파리 은하 대상 관측 연구 해석에 중요한 역할을 할 것이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 1) HR5 데이터 후처리 및 이를 활용한 연구 수행 ... 7
• 2) 체계적인 원시 은하단 탐색 방법과 정의 제시 ... 7
• 3) 고정밀 복사 유체수치실험을 기반으로 한 램 압력이 은하에 주는 영향 연구 ... 8
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 12
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 1) HR5 데이터 후처리 및 이를 활용한 연구 수행 ... 13
• 2) 체계적인 원시 은하단 탐색 방법과 정의 제시 ... 13
• 3) 고정밀 복사전달 수치실험을 기반으로 한 램 압력이 은하에 주는 영향 연구 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 16
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 16
• 참고문헌 ... 17
• 끝페이지 ... 34