May 27,2018

행성과 별들 내부에선 무슨 일이 일어날까

탐사선 관측, 슈퍼컴 예측 자료 비교 분석

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미 항공우주국(NASA)의 목성 탐사선 주노(Juno)는 17억4000만 마일의 여정 끝에 2016년 7월 목성의 궤도에 진입해 이 신비한 행성의 구조와 대기 및 자기장과 중력장에 대한 자료를 수집하기 시작했다.

주노가 목적지에 도착하자마자 미국 캘리포니아 로스앤젤레스대(UCLA) 지구물리학자인 조너선 어너우(Jonathan Aurnou) 박사와 ‘지구역학 전산 인프라’[Computational Infrastructure for Geodynamics, CIG)] 연구진은 목성 내부에서 강력한 자기장을 형성하는 격동적인 내부 과정을 모델링하고 예측하기 위해 미국 에너지부(DOE) 과학국의 아르곤 리더쉽 전산시설(ALCF)에서 대규모 3차원 시뮬레이션을 수행했다.

모델링과 예측 두 연구의 수행 시기가 우연히 일치되었으나 지금까지 이루어된 가장 상세한 목성 관측자료를 가장 해상도 높은 목성 시뮬레이션과 비교할 수 있는 기회를 제공했다.

CIG의 지자기력(geodynamo) 실무그룹을 이끌고 있는 어나우 박사는 자신들이 미라(Mira) 슈퍼컴퓨터로 도출한 향상된 모델이 NASA 탐색선의 조사 결과를 보완해 목성 내부 역학을 완전하게 파악할 수 있기를 기대하고 있다.

어나우 박사는 “주노 탐색선을 이용해서도 목성 내부 깊숙한 곳에서 일어나는 난류(亂流, turbulence)에 대한 멋진 물리적 샘플링을 얻을 수 없을 것”이라며, “슈퍼컴퓨터만이 목성 내부에서 무슨 일이 일어나는지 알 수 있게 해준다”고 말했다.

어나우 박사팀은 슈퍼컴 미라를 사용해 지구와 태양의 자기장을 전례 없이 매우 상세한 수준으로 연구하고 있기도 하다.

지구의 자기장- 지구 핵의 액체상태 철이 만드는 자기장에 대한 최첨단 시뮬레이션. 시뮬레이션의 그리드는 20억개 이상의 지점으로 구성돼 있다. 동영상은 코어-맨틀 경계 가까이에 있는 회전 프레임에서의 속도(왼쪽)와 자기장(오른쪽)을 보여준다. 빨강/파란색과 오렌지/파란색은 음과 양의 수치를 보여준다. 동영상(https://www.youtube.com/watch?time_continue=4&v=vUbbRvTf218)

지구의 자기장- 지구 핵의 액체상태 철이 만드는 자기장에 대한 최첨단 시뮬레이션. 시뮬레이션의 그리드는 20억개 이상의 지점으로 구성돼 있다. 동영상은 코어-맨틀 경계 가까이에 있는 회전 프레임에서의 속도(왼쪽)와 자기장(오른쪽)을 보여준다. 빨강/파란색과 오렌지/파란색은 음과 양의 수치를 보여준다. 동영상(https://www.youtube.com/watch?time_continue=4&v=vUbbRvTf218)       Credit: Argonne National Laboratory

역동적인발전기’  

자기장은 발전 활동으로 알려진 과정을 통해서 행성과 별들의 핵 깊은 곳에서 생성된다. 이것은 전기전도성 유체(예를 들면 행성의 액체금속 및 별들의 플라스마)의 회전과 대류운동이 운동에너지를 자기에너지로 변환함으로써 발생한다. 이 같은 발전기 과정(dynamo process)을 잘 이해하면 태양계의 탄생과 진화에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있고, 다른 별들 주위에서 발견되는 행성 시스템에 대한 정보도 확보할 수 있다.

목성과 지구 및 태양의 내부 역학 모델링은 모두 나름의 난제들이 있지만 매우 다른 이 세 가지 천체가 가지고 있는 한 가지 공통점은 다이나모 프로세스를 시뮬레이션 할 때 엄청난 컴퓨터 성능이 필요하다는 것이다.

어나우 박사의 CIG팀은 이 ALCF 프로젝트에서 가능한 최대 규모로 고해상도 3-D 발전기 모델을 개발하고 이를 시연했다.

별들에 대한 탐구

2015년 프로젝트가 처음 시작되었을 때 연구팀의 주요 초점은 태양이었다. 태양 안에서의 발전을 이해하는 것은 위성기반 통신과 우주통신 및 지상 기반 기술시스템의 성능과 안정성에 영향을 미칠 수 있는 태양의 표면 폭발, 코로나 질량 방출을 비롯한 다른 우주기상 요인들을 예측하는데 중요하다.

다른 속도로 실시한 태양 대류 시뮬레이션 3차원 렌더링. 상향류와 하향류 영역은 각각 빨간색과 파란색으로 표시했다. 회전의 영향이 왼쪽(비회전)에서 오른쪽(급속 회전)으로 증가함에 따라 대류 패턴이 점점 더 조직화되고 늘어난다. 이 스펙트럼을 따라 태양의 위치를 확인하는 것은 자기장이 어떻게 유지되는가를 이해하는 주요한 단계의 하나다.   Credit: Nick Featherstone and Bradley Hindman, University of Colorado Boulder

다른 속도로 실시한 태양 대류 시뮬레이션 3차원 렌더링. 상향류와 하향류 영역은 각각 빨간색과 파란색으로 표시했다. 회전의 영향이 왼쪽(비회전)에서 오른쪽(급속 회전)으로 증가함에 따라 대류 패턴이 점점 더 조직화되고 늘어난다. 이 스펙트럼을 따라 태양의 위치를 확인하는 것은 자기장이 어떻게 유지되는가를 이해하는 주요한 단계의 하나다. Credit: Nick Featherstone and Bradley Hindman, University of Colorado Boulder

연구팀은 슈퍼컴 미라를 이용해 태양 대류를 대상으로 최고 해상도의 가장 격동적인 난류 시뮬레이션을 몇 가지 수행했다. ‘천문물리 저널 회보’(Astrophysical Journal Letters)에 실린 논문에서 연구팀은 이 시뮬레이션을 사용해 태양 대류 영역의 전형적인 유속에 상계(upper bounds)를 두었다. 이 유속은 태양이 자기장을 생성하고 심부에서 열을 운반하는 방법을 이해하는 중요한 매개변수다.

프로젝트의 태양 발전 연구를 이끌고 있는 미 콜로라도 볼더대 닉 페더스톤(Nick Featherstone) 연구원에 따르면 연구팀의 연구 결과는 회전과 태양의 원구 모양을 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는 능력에 힘입은 것으로 나타났다. 고해상도 모델에 두 가지를 함께 통합하는 데는 엄청난 컴퓨터 계산능력이 필요하다.

페더스톤 연구원은 “깊은 대류 구역을 연구하기 위해서는 원구가 필요하며, 이 구가 회전해야 한다”고 말했다.

지구의 심부 이해하기

지구와 같은 육지가 있는 행성의 자기장은 지구 핵 액체금속의 물리적 특성에 따라 생성된다. 이전의 지구 다이나모 모델은 계산능력에 한계가 있어 실제 액체금속보다 훨씬 높은 전기전도도를 가진 유체로 시뮬레이션해야 했다.

CIG팀은 이 문제를 극복하기 위해 지구 핵 속에 녹아있는 철의 금속적 특성을 시뮬레이션할 수 있는 고해상도 모델을 구축하고 있다. 이들이 진행 중인 지구 다이나모 시뮬레이션은 자지장의 흐름 및 이와 짝을 이루는 자기적 구조가 크고 작은 규모로 발생하는 것을 보여주며, 이는 낮은 해상도에서는 나타나지 않는 새로운 프로세스들을 보여준다.

어나우 박사는 “실제적인 금속을 시뮬레이션할 수 없다면 난류를 정확히 시뮬레이션하기가 어렵다”며, “지금까지는 장비가 없어 이를 정확하게 계산해 낼 수가 없었으나 우리는 오늘날 가장 빠른 컴퓨터로 무엇이 가능한지를 구체적인 사례로 보여준다”고 말했다.

목성의 자기장- 연구팀은 목성 다이나모에 대한 연구의 일환으로 얕고 안정적인 층상화를 이용해  3차원 구형에서 회전과 심층 대류에 대한 행성 대기역학 시뮬레이션을 수행했다. 이 비디오에는 5300개 이상의 행성 회전이 포함돼 있고, 바깥 쪽 경계 부근의 방사상 와류가 북극에서 볼 때 어떻게 전개되는지를 보여준다. 강렬한 안티사이클론(파란색)이 서쪽으로 흘러가며 여러 기류들과 혼합된다. 적도 제트기류는 동쪽으로 빠르게 동쪽으로 흘러가고 있다. 동영상(https://www.youtube.com/watch?v=-oqZnjg5JdY) Credit: Moritz Heimpel, University of Alberta

목성의 자기장- 연구팀은 목성 다이나모에 대한 연구의 일환으로 얕고 안정적인 층상화를 이용해 3차원 구형에서 회전과 심층 대류에 대한 행성 대기역학 시뮬레이션을 수행했다. 이 비디오에는 5300개 이상의 행성 회전이 포함돼 있고, 바깥 쪽 경계 부근의 방사상 와류가 북극에서 볼 때 어떻게 전개되는지를 보여준다. 강렬한 안티사이클론(파란색)이 서쪽으로 흘러가며 여러 기류들과 혼합된다. 적도 제트기류는 동쪽으로 빠르게 동쪽으로 흘러가고 있다. 동영상(https://www.youtube.com/watch?v=-oqZnjg5JdY) Credit: Moritz Heimpel, University of Alberta

목성 탐사선과 슈퍼컴 비교 자료 공개 예정

목성의 경우, 연구팀의 궁극적인 목표는 목성의 다이나모 영역과 제트기류로 불리는 강력한 대기의 바람을 모두 고려한 결합 모델을 만드는 것이다. 이 모델에는 목성의 제트기류 지역이 행성 전체로 확장되고 다이나모 영역과 연결되는 ‘심층 대기’ 모델 개발이 포함된다.

지금까지 연구자들은 대기 모델에 대해 상당한 진전을 이뤄 최고 해상도의 거대-행성 시뮬레이션이 가능하게 됐다. 연구팀은 목성 시뮬레이션을 사용해 표면의 소용돌이와 구역의 제트의 흐름 및 열 방출을 세밀하게 예측하고 이를 주노 탐사선의 관측 데이터와 비교해 볼 예정이다.

연구팀은 궁극적으로 이 연구 결과들을 다른 수많은 연구 커뮤니티에 공개할 계획이다.

어나우 박사는 “우리가 슈퍼컴을 활용해 계산하려는 노력은 마치 우주탐사 임무를 수행하는 것과 같다”고 비유했다. 그는 “주노 탐사선과 마찬가지로 미라 슈퍼컴은 독특하고 특별한 도구”라며, “이 놀라운 과학적 도구를 이용해 데이터세트를 얻게 되면 많은 연구자들이 나름의 다양한 방식으로 살펴볼 수 있도록 전체 연구 커뮤니티에 공개하겠다”고 밝혔다.

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