고급 시뮬레이션 도구를 활용하여 UNIGE, 노스웨스턴 대학 및 플로리다 대학 의 과학자 팀은 이 천체 '짐승'의 ​​불가사의한 특성에 대해 밝혔습니다. -- 사 이언스데일리

우주에서 가장 매력적인 존재 중 하나인 블랙홀은 빛조차 빠져나갈 수 없을 정도로 강력한 중력을 가지고 있습니다. 2015년 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 발생하는 중력파의 획기적인 탐지는 우주를 향한 새로운 창을 열었습니다. 그 이후로 수십 건의 그러한 관찰은 천체물리학자들 사이에서 그들의 천체물리학적 기원을 이해하려는 탐구를 촉발시켰습니다. 포시돈 코드의 최근 쌍성 인구 시뮬레이션의 주요 발전 덕분에 제네바 대학(UNIGE), 노스웨스턴 대학 및 플로리다 대학(UF)의 일부를 포함한 과학자 팀은 거대한 30 태양계 병합의 존재를 예측했습니다. 이전 이론에 도전하는 은하수와 같은 은하의 질량 블랙홀 쌍성. 이 결과는 자연천문학.

항성질량 블랙홀은 태양의 몇 배에서 수백 배에 달하는 질량을 가진 별의 붕괴로 탄생한 천체입니다. 그들의 중력장은 너무 강해서 물질이나 방사선이 그들을 피할 수 없기 때문에 탐지가 매우 어렵습니다. 따라서 2015년 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에 의해 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 생성된 시공간의 작은 물결이 감지되었을 때 분수령의 순간으로 환영받았습니다. 천체 물리학자들에 따르면, 신호의 기원에 있는 두 개의 합쳐지는 블랙홀은 태양 질량의 약 30배이고 15억 광년 떨어져 있습니다.

가교 이론 및 관찰

이 블랙홀을 생성하는 메커니즘은 무엇입니까? 그것들은 우리 태양과 유사하지만 훨씬 더 무거운 두 별의 진화의 산물입니까? 이진법 내에서 진화하고 있습니까? 아니면 인구가 밀집된 성단의 블랙홀이 우연히 서로 부딪쳐서 생긴 결과일까요? 아니면 좀 더 특이한 메커니즘이 관련되어 있을까요? 이 모든 질문은 오늘날에도 여전히 뜨겁게 논의되고 있습니다.

제네바 대학(UNIGE), 노스웨스턴 대학, 플로리다 대학(UF)을 포함한 기관의 과학자 팀인 POSYDON 협력은 쌍성 인구를 시뮬레이션하는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 이 작업은 보다 정확한 답변을 제공하고 관측 데이터와 이론적 예측을 조화시키는 데 도움이 됩니다. “병합하는 쌍성 블랙홀의 형성을 직접 관찰하는 것은 불가능하기 때문에 관측 특성을 재현하는 시뮬레이션에 의존할 필요가 있습니다. 우리는 쌍성계의 탄생부터 쌍성 블랙홀의 형성까지를 시뮬레이션하여 이를 수행합니다. UNIGE 과학부 천문학과 박사 후 연구원이자 이 연구의 주요 저자인 Simone Bavera는 설명합니다.

시뮬레이션의 한계를 뛰어넘다

2015년에 관측된 것과 같은 병합 이진 블랙홀의 기원을 해석하려면 이론적 모델 예측과 실제 관측을 비교해야 합니다. 이러한 시스템을 모델링하는 데 사용되는 기술을 “이진 모집단 합성”이라고 합니다. “이 기술은 중력파 소스 모집단의 통계적 특성을 추정하기 위해 수천만 쌍성 시스템의 진화를 시뮬레이션합니다. 그러나 합리적인 시간 내에 이를 달성하기 위해 연구자들은 지금까지 다음을 사용하는 모델에 의존해 왔습니다. UNIGE 과학부 천문학과 조교수 Anastasios Fragkos는 별의 진화와 쌍성 상호 작용을 시뮬레이션하기 위한 대략적인 방법을 사용했습니다. 따라서 단일 및 쌍성 항성 물리학을 지나치게 단순화하면 예측 정확도가 떨어집니다.

포시돈은 이러한 한계를 극복했습니다. 오픈 소스 소프트웨어로 설계된 이 제품은 상세한 단일 별 및 이진 별 시뮬레이션의 사전 계산된 대규모 라이브러리를 활용하여 격리된 이진 시스템의 진화를 예측합니다. 이러한 각 세부 시뮬레이션은 슈퍼컴퓨터에서 실행하는 데 최대 100 CPU 시간이 걸릴 수 있으므로 이 시뮬레이션 기술을 이진 모집단 합성에 직접 적용할 수 없습니다. “그러나 초기 조건의 전체 매개변수 공간을 포괄하는 시뮬레이션 라이브러리를 미리 계산함으로써 POSYDON은 기계 학습 방법과 함께 이 광범위한 데이터 세트를 활용하여 1초 이내에 이진 시스템의 완전한 진화를 예측할 수 있습니다. 이 속도는 UF의 물리학과 조교수인 Jeffrey Andrews는 이전 세대의 빠른 인구 합성 코드보다 정확도가 향상되었다고 설명합니다.

새로운 모델 소개

“포시돈 이전의 모델들은 우리은하와 유사한 은하에서 병합되는 쌍성 블랙홀의 무시할 수 있는 형성률을 예측했으며, 특히 태양 질량의 30배에 달하는 병합되는 블랙홀의 존재를 예상하지 못했습니다. 포시돈은 다음을 입증했습니다. 그러한 거대한 블랙홀은 은하수와 같은 은하에 존재할 수 있습니다. 천체물리학(CIERA), 그리고 이 연구의 공동 저자.

이전 모델은 질량 손실과 쌍성 상호 작용에 영향을 미치는 무거운 별의 확장과 같은 특정 측면을 과대 평가했습니다. 이러한 요소는 블랙홀 병합의 속성을 결정하는 핵심 요소입니다. 완전히 일관된 세부 항성 구조 및 이진 상호 작용 시뮬레이션 덕분에 POSYDON은 질량 및 스핀과 같은 이진 블랙홀 속성 병합에 대한 보다 정확한 예측을 달성합니다.

본 연구는 새롭게 공개된 오픈소스 포시돈 소프트웨어를 활용해 병합된 바이너리 블랙홀을 조사한 최초의 연구다. 그것은 우리 은하와 같은 은하에서 블랙홀을 병합하는 형성 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 연구팀은 현재 더 넓은 범위의 은하 유형에서 바이너리를 시뮬레이션할 수 있는 상세한 항성 및 바이너리 시뮬레이션의 더 큰 라이브러리를 포함할 새로운 버전의 POSYDON을 개발하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/06/230629125715.htm