암흑물질 시뮬레이션, '단세포 생물' 필요해
암흑물질 시뮬레이션, '단세포 생물' 필요해
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.03 09:00
  • 조회수 2183
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단세포 유기체인 점균류(slime mold)로 알려진 황색망사점균(Physarum polycephalum)은 먹이를 찾을 때 복잡한 섬유 모양의 망을 구축합니다. 서로 다른 지점을 연결하는 최적의 경로를 찾기 위해섭니다. 그런데 이 단세포 생물이 우주의 거대한 구조를 탐사하는 천문학자들을 돕고 있다고 합니다. 

단세포 유기체인 점균류(slime mold). 출처: AdobeStock
단세포 유기체인 점균류(slime mold). 출처: AdobeStock

우주망 이루고 있는 암흑물질

 

우주를 형성할 때 중력은 수억 광년 길이의 희미한 가교를 따라 은하와 은하단을 함께 묶어 거대한 실 가닥(filament) 형태로 거대한 우주망(cosmic web)을 만들어 냈는데요. 생물학적 진화로 만들어진 망과 중력이라는 근본적인 힘으로 망 사이에는 비슷한 점이 있다고 합니다.

 

우주망은 주로 암흑물질로 알려진 불가사의한 물질로 구성됐습니다. 은하를 만드는 가스가 가미된 우주의 거대한 중추입니다. 암흑물질은 볼 수 없지만 우주 물질의 대부분을 차지하고 있습니다. 우주에 이러한 망 같은 구조가 존재한다는 사실은 1985년 하버드-스미소니언 천체물리학 센터(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)에서 적색편이(Redshift) 조사를 하다가 처음 알려졌습니다. 이후 진행된 연구를 통해 학자들은 거대한 규모의 각 은하단 사이를 이어주는 실 가닥인 필라멘트(filament) 구조를 파악했습니다. 이 필라멘트는 우주에서 커다란 빈 공간 사이의 경계를 만듭니다. 하지만 은하단 사이의 빈 공간에는 물질이 부족해 매우 어둡고 흐릿합니다. 따라서 천문학자들이 멀리 떨어진 지구에서 각 은하단을 이어주는 실 가닥인 '필라멘트'를 관측하기란 쉬운일이 아니었는데요.

 

그런데 NASA의 발표에 따르면 한 연구팀이 지구로부터 5억 광년 내에 있는 일부 우주에서 필라멘트 지도를 구축하고 그 안에서 가스를 찾는데 성공했다고 하는데요. 특이한 점은 이 때 '점균류(slime mold)'를 이용했다는 사실입니다.

 

단세포 생물 이용해 우주망을 그리다

 

연구팀은 점균류의 거동에 영감을 받아 컴퓨터 알고리즘을 설계했는데요. 우주에서 암흑물질 필라멘트의 성장을 컴퓨터 시뮬레이션으로 시험했습니다. 그 후 연구원들은 점균류 알고리즘을 슬로언 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey)에 적용했는데요. 여기에는 3억 광년 거리의 37,000개의 은하들 위치가 들어있었습니다. 이를 통해 설계된 알고리즘은 우주망 구조의 기저를 이루는 3차원 지도를 만들어 낼 수 있었습니다.    

  • 슬로언 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey)

천문학 분야에서 지금까지 탐사됐던 우주의 영역보다 수백 배나 큰 체적을 통해 하나의 전체상으로 물질의 3차원적인 분포를 지도화하기 위한 계획입니다. 천문학의 광범위한 의문점들을 규명하기 위해 광범위한 데이터를 수집해 현재까지 풀리지 않는 문제점들의 해답을 찾는 목적입니다.

블랙홀을 연료로 사용하며 밝게 빛나는 은하, 퀘이사(quasars). 출처: NASA/ESA/G.Bacon, STScI
블랙홀을 연료로 사용하며 밝게 빛나는 은하, 퀘이사(quasars). 출처: NASA/ESA/G.Bacon, STScI

그 후 연구진은 NASA의 허블우주망원경의 분광기 데이터를 보관하고 있는 HSLA(Hubble Spectroscopic Legacy Archive)에 분류된 수십억광년 더 멀리 떨어져 있는 350개의 퀘이사(quasar)로부터 나오는 자외선을 분석했습니다. 은하의 가스 구름은 눈에 보이지 않기 때문에 과학자들은 가스 구름과 그들의 움직임을 관측하기 위해 배경으로 퀘이사의 빛을 이용한다고 합니다. 블랙홀을 연료로 사용하며 밝게 빛나는 은하를 퀘이사(quasars)라고 합니다.

 

퀘이사 중심부에는 고온의 가스와 먼지가 집중돼 있고 거대한 블랙홀이 존재합니다. 그 덕분에 퀘이사는 수십억 광년 동안 신호등처럼 눈부시게 빛나게 됩니다. 퀘이사의 빛이 우리 은하에 닿으면 이 빛은 보이지 않는 가스 구름과 우주망을 통과하게 된다고 합니다. 그리고 구름 속 가스는 특정한 진동수의 빛을 흡수해 숨길 수 없는 퀘이사 빛의 지문을 남기는데요.

 

연구진은 이 지문을 골라내 우리 은하 주변의 가스를 추적할 수 있습니다. 빛에 새겨진 것은 연구팀이 필라멘트를 따라 특정 지점에서 분석했던, 감지되지 않는 수소 가스의 명백한 흡수 흔적이었습니다. 이 타깃 위치는 우리은하와 거리가 멀기 때문에 연구팀은 이러한 가스를 이용해 우주의 대규모 구조와 연결할 수 있었습니다.  

출처 : NASA, ESA, and J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)
점균류의 거동에 영감을 받은 컴퓨터 알고리즘을 설계하고 우주에서 암흑물질 필라멘트의 성장을 컴퓨터 시뮬레이션으로 시험했다. 출처 : NASA, ESA, and J. Burchett and O. Elek (UC Santa Cruz)

캘리포니아주립대학교-산타크루주캠퍼스(University of California Santa Cruz)의 수석 연구원 Joseph Burchett는 "가장 단순한 형태의 생명체가 실제로 우주에서 가장 규모가 큰 구조에 대한 통찰력을 가능하게 한다는 건 정말 놀라운 일"이라며 "점균류 시뮬레이션을 사용해 은하에서 멀리 떨어져 있는 것들을 포함한 우주망의 위치를 찾을 수 있었고, 볼 수 없는 필라멘트의 변두리에 있는 차가운 가스의 밀도를 알아내기 위해 우리는 허블우주망원경의 보관된 데이터를 사용할 수 있었다"고 전했습니다.

 

덧붙여 "과학자들은 수 십년 동안 이 가스의 흔적을 발견했고 우리는 이 가스가 우주망을 구성하고 있을 것이란 이론적 기대치를 입증할 수 있었다"고 말했습니다. 이 연구는 은하 간 가스(intergalactic gas)의 밀도가 높은 영역이 은하로부터 1,000만 광년 이상 떨어져 있는 필라멘트를 구성하고 있다는 연구 덕분에 더 유효합니다. 이는 우리은하 직경의 100배 이상 되는 엄청난 크기입니다. 

우주에서 가장 거대한 구조를 정확히 찾아내기 위해 점균류에게서 영감을 받았다. 출처:
우주에서 가장 거대한 구조를 정확히 찾아내기 위해 점균류에게서 영감을 받았다. 출처AdobeStock

연구팀은 대도시에서 가장 효율적인 교통로를 찾고, 안전한 대피 경로를 정확히 찾을 수 있는 등의 복잡한 문제들을 해결하기 위해 이 유기체를 실험실의 페트리 접시에서 배양하고 컴퓨터 모델에 적용했습니다. 이 문제들은 컴퓨터 알고리즘은 고사하고 인간이 풀기 어려운 문제들인데요. 다행히 점균류는 공간 내에서 문제를 해결할 수 있는 매우 특별한 지능을 가지고 있습니다. 이는 점균류의 생존에 매우 중요한 능력이기 때문인데요. 

 

연구원들은 거대한 규모의 각 은하단 사이를 이어주는 필라멘트를 찾기 위해 신뢰할 만한 알고리즘을 설계하는 건 매우 어려운 일이라고 말합니다. 하지만  가상의 점균류 시뮬레이션 덕분에 연구원들은 단 몇분 만에 매우 근접한 근사치를 얻을 수 있었습니다. 

 


##참고자료##

 


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