초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
퀘이사는 은하 중심에 있는 초거대질량블랙홀이 주변 물질을 흡수하면서 매우 밝은 빛을 내는 천체로, 지구로부터 멀리 떨어져 있는 초거대질량블랙홀을 연구하기에 적합한 천체입니다. 초거대질량블랙홀과 숙주 은하 사이의 긴밀한 연관성이 발견된 이후, 이들이 어떻게 진화해왔는지는 외부은하 천문학계의 큰 쟁점입니다. 본 연구에서는 기존의 파편화된 지식을 넘어, 천문학의 대표적 관측 자료인 측광·분광 자료를 동시에 활용하는 모델 개발을 통해 퀘이사와 은하를 정확하게 분해하는 방법을 연구·개발하고자

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
퀘이사는 은하 중심에 있는 초거대질량블랙홀이 주변 물질을 흡수하면서 매우 밝은 빛을 내는 천체로, 지구로부터 멀리 떨어져 있는 초거대질량블랙홀을 연구하기에 적합한 천체입니다. 초거대질량블랙홀과 숙주 은하 사이의 긴밀한 연관성이 발견된 이후, 이들이 어떻게 진화해왔는지는 외부은하 천문학계의 큰 쟁점입니다. 본 연구에서는 기존의 파편화된 지식을 넘어, 천문학의 대표적 관측 자료인 측광·분광 자료를 동시에 활용하는 모델 개발을 통해 퀘이사와 은하를 정확하게 분해하는 방법을 연구·개발하고자 합니다. 서로 다른 형태의 자료를 통합하여 각 자료의 한계점을 보완하려는 새로운 시도는 퀘이사와 은하의 물리적 성질을 왜곡 없이 추정하도록 해줄 것이며, 나아가 퀘이사-은하 분해 연구 방법의 패러다임 변화를 불러올 것입니다. 새롭게 개발될 방법을 기반으로, 다가올 미래의 대용량 관측 자료를 십분 활용하여, 질적·양적으로 모두 우수한 연구 수행을 통해 퀘이사와 은하의 진화 양상을 보다 정확하게 규명하고 통찰력 있는 분석을 하고자 합니다. 이를 통해, 우주의 진화에 대한 인류의 이해를 높이고 진실에 한층 더 가깝게 다가가는 것을 목표로 하고 있습니다.

◼ 전체 내용
본 연구는 4.5년의 기간 동안 집중연구개발 단계와 연구 확장 단계, 크게 두 단계로 나누어 진행될 계획입니다.
집중연구개발 단계에서는 측광·분광 자료의 동시 분석을 위한 방법론 수립 과정을 거치고, 이를 대용량 자료에 활용하기 위한 자료 처리의 기초를 마련합니다. 최신 측광 탐사 자료인 Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program(HSC-SSP)과 분광 탐사 자료인 Dark Energy Spectroscopic Instrument(DESI)의 자료를 이용하여 대표 표본을 선정하고, 이들을 바탕으로 퀘이사-은하 분해 연구에 적합한 형태의 모델을 개발할 계획입니다. 이과정에서, 측광·분광 자료의 기초 단위인 픽셀에 기반한 다양한 접근 방법을 시도하고, 통계 분석 및 시뮬레이션을 통해 가장 효과적인 방향으로 퀘이사-은하 동시 분해를 위한 방법론을 수렴할 것입니다. HSC-SSP와 DESI 탐사가 진행됨에 따라 대표 표본을 넘어 확장된 표본에 대해 개발된 방법론을 적용하여 퀘이사와 은하의 물리적 특성에 대해 분석하고, 이들의 진화 양상에 관해 과학적 선행연구를 수행할 것입니다.
연구 확장 단계에서는 앞선 단계에서 점검된 방법론과 체계를, 2024년부터 새롭게 얻어질 차세대 망원경 탐사 자료에 적극적으로 활용할 계획입니다. 대표적으로, SPHEREx 우주 망원경은 이전의 지상 망원경과는 차별화된 전 우주의 근적외선 측광-분광 자료를 제공할 예정입니다. 이러한 자료를 활용한다면 퀘이사와 은하의 진화를 통계적으로 분석하고 연구할 수 있으리라 기대하고 있습니다. 앞서 개발한 방법론과 분석 체계의 확장성을 높여 새로운 자료에 적용하고, 정교하게 분해된 퀘이사와 은하의 측광·분광 자료로부터 이들의 물리적 특성을 정확하게 얻어내고자 합니다. 또한, 대규모 자료의 특성을 살려, 복잡하게 얽혀있는 퀘이사-은하 진화의 다양한 시나리오들에 대해, 다양한 하위 표본화를 통해 통계적으로 분석하고, 이를 바탕으로 이들의 진화 양상에 대해 통찰력 있는 연구결과를 발표할 계획입니다.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
본 과제의 1단계 연구 목표는 서로 다른 형태의 천문학 자료인 측광·분광자료의 동시 분석을 위한 기반을 마련하는 것입니다. 이러한 접근 방식은 기존 연구들에서 쉽게 시도되지 않았던 방법으로, 우선 효율적인 연구 자료의 구성이 중요합니다. 서로 다른 탐사에서 얻어진 다른 유형의 자료를 통합하고, 이를 분석하는데 적합한 형태로 새롭게 구성하는 것을 목표로 하고 있습니다. 특히 대용량 자료에의 적용을 고려하여, 효율적인 형태로 구성하는 목표를 가지고 있습니다. 이렇게 구성된 자료를 대상으로, 각 천체의 물리량 분석을 위한 체계를 만드는 것도 중요합니다. 기존 연구의 결과와 방법론들을 대상으로, 다양한 테스트를 수행하여 더욱 효과적인 방법론을 찾는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 과정에서 자료 분석을 위한 기술적인 부분 (프로그램 코드) 개발도 매우 중요하게 다뤄져야 할 것으로 보고 있습니다. 특히 이전에 적용되던 방법이 아니기에, 새로운 프로그램 코드 개발도 중요한 목표입니다.
❏ 연구 내용
1단계 연구 과정에서는 다음과 같은 연구를 진행했습니다. 먼저 측광-분광 자료의 동시 분석에 필요한 통합형 자료를 구성했습니다. DESI의 측광 자료와 HSC-SSP의 분광 자료를 기반으로 파이썬 기반의 자료 체계를 설정했으며, 여러 모델/함수를 포함하여 연구수행에 쉽도록 구성하였습니다. 또한 측광/분광 과정에 있어 동시 분석에 적합한 방법을 찾기 위해 다양한 방법론을 테스트하는 과정을 거쳤습니다. 또한 퀘이사-은하 분해의 기준이 될 퀘이사 모델들을 점검하고, SDSS 자료를 기반으로 퀘이사의 관측적인 특성을 반영한 퀘이사 모델을 제작하였습니다. 이렇게 준비된 기반 자료와 모델을 바탕으로 동시 분석을 위한 방법론 검정 작업을 수행했습니다. 관측 자료와 모델 간의 최적해를 찾는 과정에서, 데이터 포인트의 개수가 많은 측광 자료에 편중된 최적해를 얻는 경향을 발견하게 되었습니다. 시상의 효과를 고려하여 측광 자료의 해상도를 의도적으로 낮추었을 때 편중되는 현상이 줄어드는 것을 확인할 수 있었습니다. 그러나 해상도 변화에 따른 물리량 측정값을 살펴보았을 때, 낮은 해상도에서는 물리량을, 특히 은하의 물리량을 충분히 얻지 못하는 결과를 얻을 수 있었습니다. 이에 가시광선 영역 대비 은하 광도의 비율이 높은 근적외선 영역의 자료 활용을 검토하게 되었습니다. 그 결과 z ~ 1 내외에 있는 은하의 물리량을 결정하는데 근적외선 영역의 자료가 중요하게 작용하는 것을 확인할 수 있었습니다.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
앞서 확인된 가시광선 영역에서의 한계와 근적외선 영역 자료의 가능성을 바탕으로, 2025년 상반기 발사 예정인 SPHEREx의 자료 활용을 목표로 연구를 진행하고자 합니다. SPHEREx는 LVF라는 특수 필터를 통해 근적외선 영역에서 천구 상의 약 30억 개의 천체에 대해 측광+분광 자료를 얻는 것을 목적으로 하고 있습니다. 분해능의 한계는 여전히 존재하지만, 다른 대형 탐사자료에서 얻을 수 없는 근적외선 영역의 대용량 자료를 활용할 수 있기에, 퀘이사와 은하의 진화 연구에 있어 독보적인 분석이 가능할 것으로 기대하고 있습니다. 따라서 2단계에서는 SPHEREx의 독보적인 적외선 자료를 활용하여 퀘이사-은하 분해 작업을 수행하고, 이들의 진화 과정에 대해 대규모 자료를 바탕으로 통계적인 분석을 수행하는 것을 목표로 삼고 있습니다.
❏ 연구 내용
먼저 1단계에서 연구 개발된 측광-분광 자료 시스템과 퀘이사 모델을 현재 개발 중인 SPHEREx의 자료 처리 시스템(pipeline)에 반영하는 것을 목표로 하고 있습니다. 측광 자료와 분광 자료의 특성을 모두 지니는 LVF 필터 자료의 처리에 있어, 앞서 연구 개발된 프로그램 코드와 테스트 된 내용들을 반영한다면 보다 효율적인 처리가 가능할 것으로 기대됩니다. 또한, 근적외선 영역의 퀘이사 서식(template)이 부족한 상황에서 1단계에서 검증된 퀘이사 모델은 높은 확장성을 바탕으로 약 30억 개의 천체들을 분류하는 작업에 유용하게 사용하는 것을 계획중입니다. SPHEREx 자료가 본격적으로 얻어지는 시점은 2025년 상반기입니다. 이에 앞서 시뮬레이션을 통해 SPHEREx LVF 특수 필터를 통해 얻은 것과 같은 가상의 퀘이사 자료를 만들고, 이를 대상으로 퀘이사-은하 분해 관련 선행연구를 수행하고자 합니다. 이 과정에서 SPHEREx 자료로 얻은 물리량(블랙홀 질량, 퀘이사 유출(outflow), 은하의 질량, 별 생성률, 나이 등)이 얼마나 정확하게 얻어지는 지 검정하고, 두 천체의 분해 작업을 통해 얻어진 왜곡되지 않은 물리량들이 어떤 진화 시나리오를 지지하는지 확인하고자 합니다. 실제 SPHEREx 관측 자료가 얻어지는 시점부터는 선행연구와의 비교를 통해 분해 과정의 정확성을 파악하고, 이를 바탕으로 대규모 자료를 활용한 본격적인 통계분 석을 시도하는 것을 계획하고 있습니다.

□ 연구성과
1단계 연구 과정에서는 연구 계획 단계에서 예상한 것처럼 시행착오를 겪으며 주로 정성적 연구성과를 얻게 되었습니다. 2단계 연구 과정에서는 이러한 정성적 연구 결과를 새로운 탐사자료에 적용하고 이를 논문과 같은 정량적 연구성과로 전환하는 것을 목표로 계획하고 있습니다.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
본 연구에서 연구·개발 예정인 측광·분광 자료를 동시에 활용하는 통합적인 자료 접근 방법은, 퀘이사가 아닌 Seyfert 등의 활동성 은하핵이나 다른 형태의 외부 은하들을 대상으로도 충분히 응용하여 활용할 수 있을 것입니다. 이에 더해, 최종적으로 대규모 탐사 자료와 새로운 방법론을 통해 분해된 퀘이사-은하의 순수 관측 자료를 공개할 계획입니다. 이 자료는 연구의 핵심 주제인 퀘이사-은하의 진화 양상뿐만 아니라 은하 병합, 은하 분포(은하군/은하단), 나아가 우주론에 이르기까지 다양한 천문학 연구의 근간이되는 기초 자료로 활용되리라 기대할 수 있습니다.
이전보다 몇 배는 뛰어난 수준의 차세대 탐사 자료를 미리 준비하고, 빠르게 활용함으로써, 수많은 논쟁이 반복되고 있는 퀘이사와 은하의 진화 연구 분야에 깊은 통찰을 제공할 수 있을 것입니다. 또한, 약 10년 뒤 가동예정인 25m급의 Giant Magellan Telescope (GMT) 프로젝트에 적극 참여중인 한국 천문학계의 일원으로서, 본 연구가 다가올 초대형 망원경의 시대의 다양한 은하 진화 연구를 뒷받침할 훌륭한 기반이 되리라 확신합니다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 2.1 1단계 1년차 (2021.9-2022.2) ... 7
• 2.2 1단계 2년차 (2022.3-2023.2) ... 9
• 2.3 1단계 3년차 (2023.3-2024.2) ... 10
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 12
• 1) 연구수행 결과 ... 12
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 15
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 15
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 16
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 16
• 2) 연구 추진전략 ... 16
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 17
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 17
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 17
• 끝페이지 ... 40