슈퍼컴퓨터는 엔셀라두스 깃털의 이상한 행동을 해독합니다.

몇 세기 후, NASA의 카시니-호이겐스(Cassini) 임무는 그 탐사를 우주 시대로 이끌었습니다. 2005년부터 우주선은 토성과 위성에 대한 과학자들의 관점을 재구성하는 수많은 상세한 이미지를 반환했습니다. 가장 극적인 발견 중 하나는 작은 얼음 달인 엔셀라두스(Enceladus)에서 우뚝 솟은 간헐천이 물질을 우주로 쏘아 올려 토성 주위에 분출된 잔해로 만들어진 희미한 하위 고리를 생성한 것입니다.

Cassini가 수집한 데이터를 사용하여 TACC(Texas Advanced Computing Center)에서 실행되는 새로운 컴퓨터 시뮬레이션은 이제 엔셀라두스가 우주로 손실되는 얼음의 양에 대한 정밀한 추정치를 제공합니다. 업데이트된 숫자는 달의 내부 활동을 이해하고 잠재적으로 생명체를 지원할 수 있는 묻힌 바다를 탐험할 수 있는 미래 로봇 임무를 계획하는 데 중요합니다.

“엔셀라두스의 질량 유량은 과학 문헌에서 발견한 것보다 20~40% 정도 낮습니다.”라고 왕립 벨기에 우주 항공 연구소의 선임 연구원이자 UT 오스틴 항공 우주 공학 및 엔지니어링 역학 부서의 계열사인 Arnaud Mahieux는 말했습니다.

슈퍼컴퓨터와 DSMC 모델로 깃털 물리학 공개

Mahieux는 2025년 8월 지구물리학 연구 저널: 행성(Journal of Geophysical Research: Planets)에 게재된 엔셀라두스의 계산 연구의 교신저자입니다. 이 연구에서 그와 그의 동료들은 직접 시뮬레이션 몬테카를로(DSMC) 모델을 사용하여 엔셀라두스 표면의 균열과 통풍구에서 분출된 후 거대한 수증기 기둥과 얼음 알갱이가 어떻게 행동하는지 더 잘 설명했습니다.

이 프로젝트는 Mahieux가 주도하고 2019년에 발표된 이전 연구를 기반으로 합니다. 이전 연구는 DSMC 기술을 사용하여 통풍구의 크기, 수증기와 고체 얼음 입자의 비율, 물질의 온도, 우주로 탈출하는 속도 등 기둥의 시작 조건을 파악한 최초의 연구였습니다.

Mahieux는 “DSMC 시뮬레이션은 매우 비용이 많이 듭니다.”라고 말했습니다. “우리는 2015년에 TACC 슈퍼컴퓨터를 사용하여 계산 시간을 48시간에서 지금은 단 몇 밀리초로 줄이기 위한 매개변수화를 얻었습니다.”

연구팀은 이러한 수학적 매개변수화를 사용하여 엔셀라두스의 극저온 화산 기둥의 밀도, 가스와 입자의 이동 속도 등 주요 특성을 계산했습니다. 그들은 우주선이 제트기를 직접 통과하는 동안 수집된 카시니 측정값을 기반으로 계산을 했습니다.

“우리의 새로운 연구의 주요 발견은 100개의 극저온 화산 발생원에 대해 물질이 빠져나가는 온도와 같이 이전에 도출되지 않았던 질량 유량 및 기타 매개변수를 제한할 수 있다는 것입니다. 이는 엔셀라두스에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 데 큰 진전입니다.”라고 Mahieux는 말했습니다.

강력한 극저온 화산 제트를 가진 작은 달

엔셀라두스는 폭이 약 313마일에 불과한 상대적으로 작은 달이며, 그 약한 중력은 분출하는 제트가 우주로 탈출하는 것을 막을 만큼 강하지 않습니다. 새로운 DSMC 모델은 이러한 저중력 환경을 정확하게 표현하도록 설계되었습니다. 이전 모델은 현재 DSMC 접근 방식만큼 자세하게 물리학 및 가스 역학을 포착하지 못했습니다.

Mahieux는 이 현상을 화산 폭발에 비유합니다. 엔셀라두스가 하는 일은 화산이 용암을 우주로 뿜어내는 것과 비슷합니다. 단, 분출물이 수증기와 얼음 기둥이라는 점만 빼면요.

시뮬레이션은 구슬이 서로 튕겨 나가는 것과 유사한 방식으로 개별 입자가 이동하고, 충돌하고, 에너지를 전달하는 매우 작은 규모에서 기둥의 가스가 어떻게 동작하는지 추적합니다. 이 모델은 마이크로초 단위로 측정된 시간 단계에서 수백만 개의 분자를 따릅니다. DSMC 방법 덕분에 과학자들은 이제 더 낮고 더 현실적인 압력에서 조건을 시뮬레이션할 수 있으며 이전 모델이 처리할 수 있었던 것보다 더 긴 충돌 간 거리를 허용할 수 있습니다.

Planet Code와 TACC 슈퍼컴퓨터의 힘

UT Austin 교수이자 이번 연구의 공동 저자인 David Goldstein은 2011년 Planet으로 알려진 DSMC 코드 개발을 주도했습니다. TACC는 14개 UT 시스템 기관 전체의 연구자에게 리소스를 제공하는 University of Texas Research 사이버 인프라 포털을 통해 Lonestar6 및 Stampede3 슈퍼컴퓨터에 Goldstein 컴퓨팅 시간을 부여했습니다.

“TACC 시스템은 많은 유연성을 제공하는 훌륭한 아키텍처를 가지고 있습니다”라고 Mahieux는 말했습니다. “노트북에서만 DSMC 코드를 사용하는 경우 작은 도메인만 시뮬레이션할 수 있습니다. TACC 덕분에 기둥이 우주로 확장되는 고도 10km까지 엔셀라두스 표면에서 시뮬레이션할 수 있습니다.”

엔셀라두스와 얼음 바다 세계의 가족

토성은 목성, 천왕성, 해왕성을 포함하여 얼음 위성을 호스팅하는 다른 거대한 행성과 함께 천문학자가 태양계에서 “눈 선”이라고 부르는 것 너머로 공전합니다.

Mahieux는 “이 ‘큰 얼음 공’ 아래에는 액체 물의 바다가 있습니다”라고 말했습니다. “여기에는 지구 외에도 액체 바다가 있는 다른 많은 세계가 있습니다. 엔셀라두스의 기둥은 지하 상태를 볼 수 있는 창을 열어줍니다.”

기둥은 표면 아래 깊은 곳의 물질을 우주로 운반하기 때문에 수 마일의 얼음을 뚫을 필요 없이 숨겨진 바다의 희귀한 천연 샘플을 제공합니다.

미래의 사명과 생명의 탐색

NASA와 유럽 우주국은 단순한 비행보다 훨씬 더 야심찬 목표를 가지고 엔셀라두스로 돌아갈 새로운 임무를 계획하고 있습니다. 일부 제안에서는 그곳에 보존될 수 있는 생명의 화학적 징후를 찾기 위해 표면에 우주선을 착륙시키고 지각을 뚫고 지하 바다에 도달하는 것을 구상하고 있습니다.

한편, 기둥 내부에 무엇이 있는지, 얼마나 많은 물질이 운반되는지 측정하는 것은 과학자들에게 지하 환경을 연구하는 강력하고 간접적인 방법을 제공합니다. 제트기를 분석함으로써 연구자들은 얼음 껍질을 물리적으로 뚫지 않고도 바다의 상태를 추론할 수 있습니다.

Mahieux는 “슈퍼컴퓨터는 10년 또는 15년 전에는 꿈도 꿀 수 없었던 질문에 대한 답을 줄 수 있습니다.”라고 말했습니다. “이제 우리는 자연이 하는 일을 시뮬레이션하는 데 훨씬 더 가까워질 수 있습니다.”