연구 주제
연구 주제
물질의 가장 기본적인 구성요소인 원소 중에 무거운 원소의 기원에 대한 연구는 21세기 물리학의 중요한
연구 주제로 대두되고 있다. 초기 우주에서 만들어진가벼운 원소들은 이후 별의 진화 과정에서 생성되는 보다 무거운 원소들의 기원이 된다. 하지만 아직 많은 원소들은 그 기원이 불분명한 상태로 남아 있다. 항성의 진화과정에서 발생하는 핵합성 연구는 원소의 기원을 이해하기 위해 반드시 필요한 연구이다. 특히 항성진화 과정에서의 열핵반응은 현재 자연계에 존재하지 않는 불안정 희귀원소를 매개로 하여 일어나고 있다. 따라서 세계 각국에서 건설 또는 가동 중인 중이온가속기는 이러한 천체 열핵반응을 지상에서 재현하고자 하는 노력의 일환이라고 할 수 있다. 하지만 수십만 여개의 핵반응을 지상에서 모두 실험으로 확인하는 일은 장대한 노력이 필요하다. 또한 고온 고압 플라즈마 상태인 천체 환경에서의 열핵반응은 그 실험이 불가능하다. 따라서 보다 체계적이며 정확한 핵물리, 입자물리 등의 미시세계의 물리 이론을 바탕으로 한 대규모의 전산모사 연구가 반드시 동반되어야한다.
(1) 천체 핵합성에 대한 희귀핵 구조 연구
먼저 천체 핵합성에서만 나타는 희귀핵 구조에 대한 연구가 필요하다. 중이온가속기를 통해 도출되는 많은 양의 데이터를 해석하기 위해서는 이에 대한 포괄적 핵구조 이론을 제시해야 한다. 또한 관련 핵의 여러 가지 핵반응 연구를 함께 진행해야 한다. 이 연구에서는 현대 핵물리학의 최전선이라고 할 수 있는 희귀핵 가속기 장치로 생성되는 실로 다양한 형태의 핵반응 연구의 해석과 천체 열핵반응까지의 확장이 요구 된다.
(2) 초신성 폭발 과정
다음 단계로 항성 진화의 마지막 단계라고 할 수 있는 초신성 폭발과정이다. 예를 들어 중력 수축형 초신성 폭발의 경우 수축단계로부터 출발하여 폭발에 이르는 과정에 대한 전산모사 연구가 진행되어야 한다. 이때 발생하는 중성미자에 의한 2차 폭발과정을 자기유체동역학(Magnetohydrodynamics)으로 묘사하는 과정과 그 속에서 이루어지는 여러 형태의 핵합성 연구가 필요하다.
(3) 고온-고밀도 플라즈마와 핵반응 및 핵합성
특히 보다 실제에 가까운 핵합성 모형을 만들기 위해서는 지금까지 전혀 고려되지 않았던 고온-고밀도 플라즈마 내에서의 핵반응 및 핵합성 연구라는 새로운 분야의 연구가 필요하다. 천체 플라즈마 내에서 움직이는 하전 입자가 받는 쿨롱 퍼텐셜(Coulomb potential)은 정지 입자가 받는 것과 다른 양상을 보인다. 이러한 동적 차폐 효과를 천체 핵반응 및 핵합성에 적용하는 본격적인 연구가 절대로 필요하다.
(4) 초신성 폭발 후의 고밀도천체
네 번째는 초신성 폭발 후에 생겨나는 고밀도천체에 대한 연구이다. 지상에서는 볼 수 없는 주사위 사이즈에 수억 톤이라는 질량을 가진 중성자별은 현대의 응집물질 연구에서의 극한적인 특이 상태에 해당한다. 이러한 고밀도 천체의 미시적 이해를 위해서는 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 및 보즈-아인슈타인 응축(BEC: Bose-Einstein Condensate) 등의 다양한 상태의 물질에 대한 응집상태 연구가 진행되어야한다. 또한 최근 중력파와 같은 다중 신호 천문학에 의한 관측 데이터 및 상대론적 중이온 충돌 실험으로 실현 가능한 고밀도 상태의 여러 데이터와 일관된 해석 과정이 대규모 전산모사로 진행되어야 한다.
(5) 응집물리 이론의 응용
응집물리 이론과 핵물리 등의 양자다체계에서 사용되고 있는 BCS 이론 및 범함수 이론(DFT: Density Functional Theory) 등의 연구는 극한 응집 물질 연구에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 특히, BCS에서 BEC로의 상전이 현상에서 보듯이 결합상수(또는 화학퍼텐셜)의 증가와 함께 BCS 로부터의 BEC에의 크로스오버(crossover) 상전이는 고밀도 상태의 응집물질물리 연구에 의미 있는 결과를 줄 것으로 기대한다. 중성자별의 내부에서 핵의 격자구조 분포에서 부터 쿼크 물질까지 다양한 구성요소에 의한 다채로운 응집물질 상태를 보여주고 있다. 지상에서 볼 수 없는 응집물질의 극한적 상태에 대한 흥미로운 연구가 기대된다. 또한 천체에서 자기장에 대한 연구는 마그네타와 같은 고자기장 현상을 이해하는데 중요할 뿐만 아니라 상호작용의 자기유체역학적 기술에도 중요한 역할을 하고 있다. 본 연구에서는 천체 자기장의 전문가가 합류하여 모든 핵반응, 핵합성 및 항성진화과정, 우주화학진화반응에서 자기장의 역할 및 그 효과가 연구의 전산모사과정에 적절하게 응용될 것이다.
(6) 물질의 기원
본 연구의 핵심인 물질의 기원에 대한 연구는 최종적으로 우주화학반응 통해 이해될 수 있다. 즉 별의 폭발과정에서 발생하는 다양한 원소들이 모인 성간 물질에 대한 연구를 필요로 한다. 성간 물질 내에서 은하와 별의 생성과정을 연구하기 위해서는 성간물질에서의 은하와 행성의 탄생과정 같은 우주화학반응 및 천체화학분야의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 해당분야의 해외 연구자들을 장단기로 초빙하여 연구를 진행 할 것이다. 결국 펨토 스케일이라는 미시세계 물리학에서 출발하여 거시세계인 천체의 다양한 관측 데이터를 설명하는 종합적이며 체계적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 고성능 컴퓨터로 구성되는 병렬화 시스템을 구축하여 최신 기법의 기계 학습을 활용하는 전산모사 연구를 진행할 것이다. 또한 통계물리에서 사용되는 몬테-카를로(Monte-Carlo) 모사, 빅데이터를 양산하고 있는 입자물리 실험에 사용 중인 인공지능(AI)을 이용하는 등 새로운 알고리즘을 함께 개발할 것이다.