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이 연구는 버밍엄 대학교, 마드리드 자치대학교, 막스 플랑크 중력 물리학 연구소의 과학자들이 수행했습니다. 그들의 연구 결과는 3월 11일에 발표되었습니다. 천체 물리학 저널 편지.

블랙홀-중성자별 합병에서 특이한 타원형 궤도 발견

천문학자들은 일반적으로 중성자별과 블랙홀 쌍이 합쳐지기 훨씬 전에 원형 궤도에 안착할 것으로 예상합니다. 그러나 중력파 이벤트 GW200105에 대한 새로운 분석에 따르면 이 시스템은 두 물체가 결합되기 직전에 여전히 타원형 경로를 따라 이동하고 있는 것으로 나타났습니다. 합병으로 인해 궁극적으로 태양 질량의 약 13배에 달하는 블랙홀이 생성되었습니다. 이러한 유형의 사건에서 이러한 타원형 궤도를 탐지한 사례는 이전에 보고된 적이 없습니다.

버밍엄 대학의 패트리샤 슈미트 박사는 다음과 같이 설명했습니다. “이 발견은 우리에게 이러한 극단적인 물체가 어떻게 결합되는지에 대한 중요한 새로운 단서를 제공합니다. 이는 우리의 이론적 모델이 불완전하다는 것을 말해주고 그러한 시스템이 우주 어디에서 탄생하는지에 대한 새로운 질문을 제기합니다.”

중력파 데이터로 궤도 모양이 드러남

이 사건을 조사하기 위해 팀은 버밍엄 대학교 중력파 천문학 연구소에서 개발된 새로운 모델을 사용하여 LIGO 및 Virgo 중력파 검출기의 데이터를 연구했습니다. 이 접근 방식을 통해 연구원들은 궤도가 얼마나 늘어났는지(이심률) 측정하고 시스템이 스핀 관련 워블링(세차)을 보이는지 여부를 확인할 수 있었습니다. 과학자들이 중성자별-블랙홀 사건에서 이 두 가지 효과를 함께 측정한 것은 이번이 처음입니다.

버밍엄 대학교 왕립학회 연구원인 Geraint Pratten은 “궤도는 게임을 가능하게 합니다. 합병 직전의 타원형 모양은 이 시스템이 고립되어 조용하게 진화한 것이 아니라 다른 별 또는 아마도 제3의 동반성과의 중력 상호 작용에 의해 거의 확실하게 형성되었음을 보여줍니다.”라고 말했습니다.

새로운 분석은 이전 가정에 도전합니다

연구팀은 수천 개의 이론 모델을 실제 중력파 신호와 비교하는 베이지안 분석을 수행했습니다. 그들의 결과는 원형 궤도가 있을 가능성이 극히 낮아 99.5%의 신뢰도로 이를 배제한다는 것을 보여줍니다.

GW200105에 대한 이전 연구에서는 궤도가 원형이라고 가정했습니다. 그러한 가정 때문에 그들은 블랙홀의 질량을 과소평가하고 중성자별의 질량을 과대평가했습니다. 새로운 분석은 이러한 측정을 수정했으며 세차운동에 대한 강력한 증거를 찾지 못했습니다. 이는 타원 궤도가 스핀 효과에 의해 발생하기보다는 시스템 형성 중에 발생했을 가능성이 있음을 시사합니다.

마드리드 자치대학교(Universidad Autónoma de Madrid)와 막스 플랑크 중력 물리학 연구소(Max Planck Institute for Gravitational Physics)의 곤잘로 모라스(Gonzalo Morras)는 이렇게 말했습니다. “이것은 모든 중성자별-블랙홀 쌍이 동일한 기원을 공유하지 않는다는 설득력 있는 증거입니다. 이심 궤도는 많은 별들이 중력적으로 상호 작용하는 환경에서 탄생지를 암시합니다.”

우주 합병의 더 복잡한 그림

이번 발견은 모든 중성자별-블랙홀 합병이 하나의 지배적인 형성 경로를 통해 발생한다는 널리 알려진 생각에 이의를 제기합니다. 대신, 연구에서는 여러 가지 형성 시나리오가 존재할 수 있으며 일부는 중력 상호 작용이 흔한 혼잡한 항성 환경에 의해 형성될 수 있다고 제안합니다.

이 연구는 또한 중력파를 통해 관찰되는 점점 더 다양한 소형 쌍성 병합을 설명하는 데 도움이 됩니다. 탐지기가 계속해서 더 많은 사건을 식별함에 따라 천문학자들은 이러한 강력한 우주 충돌이 발생하는 새로운 경로를 밝히는 추가적인 특이한 시스템을 발견할 것으로 기대합니다.

그러나 평생 동안 해밀턴의 명성은 그가 훨씬 이전에 완료한 작업을 기반으로 구축되었습니다. 1820년대와 1830년대 초, 아직 20대였던 그는 광선의 경로(또는 “기하광학”)와 물리적 물체의 운동(“역학”)을 분석하기 위한 강력하고 새로운 수학적 방법을 창안했습니다.

해밀턴 작업의 특히 흥미로운 특징 중 하나는 그가 이 두 주제를 연결하는 방식이었습니다. 그는 광선의 경로와 움직이는 입자의 경로를 비교하여 역학 이론을 발전시켰습니다. 아이작 뉴턴이 믿었던 것처럼 빛이 작은 입자로 구성되어 있다면 이러한 비교는 의미가 있습니다. 그러나 빛이 파동처럼 행동한다면 그 관계는 훨씬 더 신비로워 보였습니다. 파동을 설명하는 수학이 입자에 사용되는 방정식과 유사한 이유는 무엇입니까?

해밀턴 아이디어의 중요성은 약 100년 후에야 분명해졌습니다. 양자역학의 창시자들은 물질과 빛의 이상한 행동을 탐구하기 시작했을 때 해밀턴의 체계가 단순한 비유 그 이상이라는 것을 깨달았습니다. 이는 물리적 세계가 어떻게 작동하는지에 대한 더 깊은 진실을 암시했습니다.

빛의 본질에 대한 오랜 논쟁

해밀턴의 생각이 왜 중요한지 알아보려면 물리학의 역사를 좀 더 거슬러 올라가 보면 도움이 됩니다. 1687년 아이작 뉴턴은 물체의 운동을 지배하는 기본 법칙을 발표했습니다. 다음 세기 반 동안 레너드 오일러(Leonard Euler), 조셉-루이 라그랑주(Joseph-Louis Lagrange), 해밀턴(Hamilton)을 포함한 과학자들은 뉴턴의 연구를 확장하여 운동에 대한 보다 유연한 수학적 설명을 개발했습니다.

해밀턴의 접근 방식은 “해밀턴 역학”으로 알려졌으며 매우 강력하다는 것이 입증되었습니다. 사실, 과학자들은 해밀턴이 원래 어떻게 그것을 도출했는지 진지하게 의문을 제기하지 않고 수십 년 동안 그것에 의존했습니다. 거의 100년이 지난 1925년이 되어서야 연구자들은 그 기원을 더 자세히 조사하기 시작했습니다.

해밀턴의 추론에는 입자 운동을 광선의 경로와 비교하는 것이 포함되었습니다. 흥미롭게도 이 수학적 방법은 실제로 빛이 무엇인지에 관계없이 작동했습니다. 1800년대 초까지 많은 과학자들은 빛이 파동처럼 행동한다고 ​​믿었습니다. 1801년 영국의 물리학자 토머스 영(Thomas Young)은 유명한 이중 슬릿 실험을 통해 이를 증명했습니다. 빛이 두 개의 좁은 구멍을 통과할 때 결과적인 패턴은 두 개의 돌이 물에 떨어질 때 생성되는 겹쳐지는 잔물결과 유사하여 “간섭” 패턴을 생성합니다.

수십 년 후, 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 빛이 전자기장을 통해 이동하는 파동으로 이해될 수 있음을 보여주었습니다.

그러나 이야기는 1905년에 놀라운 방향으로 전환되었습니다. 알베르트 아인슈타인은 빛과 관련된 특정 현상은 빛이 때때로 “광자”(나중에 “광자”라고 불림)라고 불리는 개별 입자처럼 행동하는 경우에만 설명될 수 있음을 보여주었습니다. 그의 연구는 원자가 연속적인 양이 아닌 개별 묶음으로 에너지를 방출하고 흡수한다는 1900년 막스 플랑크의 초기 제안을 바탕으로 이루어졌습니다.

에너지, 주파수 및 질량

빛이 특정 금속에서 전자를 떨어뜨리는 광전 효과를 설명하는 1905년 논문에서 아인슈타인은 이러한 에너지 패킷(또는 양자)에 대해 플랑크의 공식을 사용했습니다. 이자형 = hν. 이 표현에서, 이자형 에너지를 표현하고, N (그리스 문자 nu)는 빛의 주파수를 나타냅니다. 시간 플랑크 상수로 알려진 상수입니다.

같은 해에 아인슈타인은 물질의 에너지를 설명하는 또 다른 중요한 방정식을 도입했습니다. 이자형 = MC². 여기, 이자형 다시 에너지를 나타냅니다. 중 는 입자의 질량이고, 기음 빛의 속도입니다.

이 두 공식은 흥미로운 가능성을 제기했습니다. 하나의 방정식은 에너지를 파동과 관련된 속성인 주파수와 연결했습니다. 다른 하나는 에너지와 질량을 연결하는 것으로 입자의 특징입니다.

이것은 물질과 빛이 근본적으로 연관되어 있다는 것을 의미할 수 있습니까?

양자역학의 탄생

1924년 프랑스 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie)는 대담한 아이디어를 제안했습니다. 빛이 파동과 입자로 동시에 행동할 수 있다면 물질도 똑같이 행동할 수 있을 것입니다. 드 브로이(De Broglie)에 따르면 전자와 같은 입자도 파동과 같은 특성을 가질 수 있습니다.

실험을 통해 곧 이 예측이 확인되었습니다. 전자와 기타 양자 입자는 일반적인 물체처럼 행동하지 않았습니다. 대신 그들은 고전 물리학으로 설명할 수 없는 낯선 규칙을 따랐습니다.

따라서 물리학자들은 이 이상한 미시적 세계를 설명하기 위한 새로운 이론적 틀이 필요했습니다. 그 프레임워크는 “양자 역학”으로 알려지게 되었습니다.

슈뢰딩거의 파동 방정식

1925년에는 두 가지 중요한 돌파구가 찾아왔습니다. 하나는 Werner Heisenberg가 개발하고 나중에 Max Born, Paul Dirac 등에 의해 확장된 “매트릭스 역학”이었습니다.

얼마 지나지 않아 Erwin Schrödinger는 “파동 역학”으로 알려진 다른 접근 방식을 도입했습니다. 그의 작업은 해밀턴의 초기 아이디어로 직접적으로 돌아갔습니다.

슈뢰딩거는 해밀턴이 광학과 기계 사이에 깊은 유사점을 그려냈다는 점을 알아차렸습니다. 물질이 파동과 같은 성질을 가지고 있다는 드 브로이(de Broglie)의 제안과 입자 운동에 대한 해밀턴의 방정식을 결합함으로써 슈뢰딩거는 입자에 대한 새로운 수학적 설명을 도출했습니다. 이것이 유명한 “파동방정식”이 되었습니다.

표준 파동 방정식은 “파동 함수”가 시간과 공간에 따라 어떻게 변하는지 설명합니다. 예를 들어 음파의 경우 방정식은 다양한 위치와 시간의 압력 변화에 따라 공기가 이동하는 방식을 나타냅니다.

슈뢰딩거의 파동함수는 더욱 신비스러웠습니다. 물리학자들은 무엇이 진동하는지 정확히 확신하지 못했습니다. 오늘날에도 과학자들은 그것이 실제 물리적 파동을 나타내는지 아니면 단순히 수학적 도구인지에 대해 논쟁을 벌이고 있습니다.

파동-입자 이중성과 현대 기술

해석의 불확실성에도 불구하고 파동-입자 이중성은 양자역학의 핵심입니다. 이 이론은 컴퓨터 칩, 레이저, 광섬유 통신, 태양 전지판, MRI 스캐너, 전자 현미경 및 GPS 시스템에 사용되는 원자 시계를 포함한 오늘날의 많은 기술을 뒷받침합니다.

슈뢰딩거 방정식을 통해 과학자들은 특정 장소와 시간에서 원자의 전자와 같은 입자를 감지할 확률을 계산할 수 있습니다.

이러한 확률론적 특성은 양자 세계의 가장 특이한 특징 중 하나입니다. 크리켓 공이나 통신 위성과 같은 일상 물체의 정확한 궤적을 예측하는 고전 물리학과 달리 양자 이론은 입자가 관찰될 가능성만 예측할 수 있습니다.

슈뢰딩거의 파동 방정식은 또한 단 하나의 전자를 포함하는 수소 원자를 정확하게 분석하는 것을 가능하게 했습니다. 이 이론은 원자 내부의 전자가 양자화라고 알려진 현상인 허용된 특정 에너지 수준만을 차지하는 이유를 설명했습니다.

이후 연구에서는 슈뢰딩거의 파동 기반 공식과 하이젠베르크의 행렬 기반 접근 방식이 거의 모든 상황에서 수학적으로 동일하다는 사실이 밝혀졌습니다. 두 프레임워크 모두 해밀턴의 초기 아이디어에 크게 의존했으며 Heisenberg 자신은 해밀턴 역학을 가이드로 사용했습니다.

오늘날 많은 양자 방정식은 기계 시스템의 에너지를 설명하는 해밀턴의 표현에서 파생된 “해밀턴식”이라고 하는 총 에너지 측면에서 여전히 작성됩니다.

해밀턴은 원래 광선 연구를 통해 자신이 개발한 수학적 방법이 널리 유용할 것으로 기대했습니다. 그가 결코 상상하지 못했던 것은 그 비유가 양자 세계의 이상하고 매혹적인 행동을 얼마나 정확하게 예상할 것인지였습니다.

HETDEX 과학자이자 막스 플랑크 천체물리학 연구소를 졸업하고 지도 개발을 이끈 Maja Lujan Niemeyer는 “초기 우주를 관찰하면 은하가 현재의 형태로 어떻게 진화했는지, 그리고 이 과정에서 은하간 가스가 어떤 역할을 했는지에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다. “하지만 멀리 있기 때문에 이 시간에는 많은 물체가 흐려 관찰하기 어렵습니다.”

이러한 희미한 소스를 밝히기 위해 팀은 Line Intensity Mapping이라는 방법을 사용했습니다. 이 접근 방식을 사용하면 멀리 떨어져 있는 많은 물체의 결합된 빛을 감지할 수 있어 과학자들이 젊은 우주에 대한 보다 완전한 그림을 구축하는 데 도움이 됩니다. 연구 결과는 3월 3일에 발표됐다. 천체 물리학 저널.

선 강도 매핑이 숨겨진 은하를 밝혀내는 방법

빛은 구성 요소 파장으로 분리되어 과학자들이 스펙트럼이라고 부르는 것을 생성할 수 있습니다. 천문학자들은 특정 원소의 존재를 나타내는 최고점과 최저점을 찾아 스펙트럼(“스펙트럼”의 복수형)을 연구합니다. 개별 은하를 한 번에 하나씩 식별하는 대신 선 강도 매핑은 전체 공간 영역에 걸쳐 특정 요소가 얼마나 강하게 나타나는지 측정합니다.

“당신이 비행기에 타고 내려다보고 있다고 상상해 보십시오. 은하 조사를 수행하는 ‘전통적인’ 방법은 가장 밝은 도시만 매핑하는 것과 같습니다. 대규모 인구 중심지가 어디에 있는지 알지만 교외와 작은 마을에 사는 모든 사람을 놓치게 됩니다.”라고 오스틴에 있는 텍사스 대학의 조교수이자 논문의 공동 저자인 HETDEX 과학자 Julian Muñoz는 설명했습니다. “강도 매핑은 얼룩진 평면 창을 통해 동일한 장면을 보는 것과 같습니다. 더 흐릿한 사진을 얻을 수 있지만 가장 밝은 부분뿐만 아니라 모든 빛을 캡처합니다.”

Line Intensity Mapping은 이전에도 사용되었지만 그렇게 큰 데이터 세트와 높은 정확도로 Lyman 알파 방출을 매핑한 것은 이번이 처음입니다. McDonald Observatory의 Hobby-Eberly 망원경은 암흑 에너지를 더 잘 이해하기 위한 노력의 일환으로 백만 개가 넘는 밝은 은하의 위치를 ​​추적하면서 HETDEX에 대한 엄청난 양의 정보를 수집합니다. 이번 조사는 범위뿐 아니라 데이터 규모 측면에서도 주목할 만하다. 연구원들은 보름달 2,000개 이상에 해당하는 하늘 지역에서 6억 개 이상의 스펙트럼을 수집했습니다.

아직 활용되지 않은 데이터의 광대한 바다

HETDEX 수석 조사관이자 UT 오스틴 천문학과 의장이자 논문 공동 저자인 Karl Gebhardt는 “그러나 우리는 우리가 수집하는 모든 데이터 중 작은 부분인 약 5%만 사용합니다.”라고 설명했습니다. “추가 연구를 위해 남은 데이터를 사용하면 엄청난 잠재력이 있습니다.”

“HETDEX는 하늘의 모든 것을 관찰하지만 그 데이터 중 아주 작은 양만이 프로젝트에서 사용할 만큼 충분히 밝은 은하와 관련이 있습니다.”라고 Lujan Niemeyer는 덧붙였습니다. “하지만 그 은하계는 빙산의 일각일 뿐입니다. 그 사이에 텅 빈 것처럼 보이는 부분에는 빛의 바다 전체가 있습니다.”

슈퍼컴퓨터가 우주의 숨겨진 구조를 드러낸다

새로운 지도를 구축하기 위해 연구원들은 맞춤형 소프트웨어를 개발하고 텍사스 첨단 컴퓨팅 센터(Texas Advanced Computing Center)의 슈퍼컴퓨터에 의존했습니다. 이 시스템은 약 0.5페타바이트의 HETDEX 데이터를 분석했습니다. 그런 다음 팀은 HETDEX가 이미 분류한 밝은 은하의 알려진 위치를 사용하여 근처의 희미한 은하와 빛나는 가스 구름의 위치를 ​​추정했습니다. 중력으로 인해 물질이 서로 뭉쳐지기 때문에 밝은 은하계는 종종 다른 물체가 발견될 가능성이 있는 영역을 표시합니다.

“그래서 우리는 알려진 은하의 위치를 ​​더 희미한 물체의 거리를 식별하는 이정표로 사용할 수 있습니다”라고 막스 플랑크 천체 물리학 연구소의 과학 책임자이자 논문 공동 저자인 HETDEX 과학자이자 고마츠 에이치로(Eiichiro Komatsu)는 말했습니다. 완성된 지도는 밝은 은하 주변의 시야를 선명하게 하는 동시에 이전에 탐사되지 않은 은하 사이의 지역을 더 자세히 보여줍니다.

“우리는 이 시기의 컴퓨터 시뮬레이션을 가지고 있습니다”라고 Komatsu는 계속 말했습니다. “그러나 그것은 실제 우주가 아닌 시뮬레이션일 뿐입니다. 이제 우리는 이러한 시뮬레이션을 뒷받침하는 천체 물리학 중 일부가 올바른지 알 수 있는 기반을 갖게 되었습니다.”

우주 지도 작성의 새로운 시대

연구원들은 동일한 공간 영역을 조사하지만 다른 요소에 초점을 맞춘 다른 조사와 지도를 비교할 계획입니다. 예를 들어, 별이 형성되는 조밀하고 차가운 구름과 관련된 일산화탄소의 선 강도 지도는 과학자들이 라이먼 알파 방사선을 생성하는 어린 별 주변 환경을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Muñoz는 “이 연구는 그 자체로 흥미로운 최초의 발견이며 우주 강도 매핑의 새로운 시대를 여는 문을 열어줍니다.”라고 말했습니다. “Hobby-Eberly는 선구적인 망원경입니다. 그리고 새로운 보완 장비가 온라인에 등장하면서 우리는 우주 지도 제작의 황금 시대를 맞이하고 있습니다.”

각 광물은 고유한 결정 구조와 물리적 특성을 가지고 있습니다. 익숙한 예로는 석고와 적철광이 있습니다. 과학자들은 궤도를 도는 우주선의 데이터를 분석하여 화성 표면의 광물을 식별하고 이를 생성한 환경 조건을 재구성합니다. 거의 20년 동안 연구자들은 특이한 스펙트럼 신호를 보여주는 화성의 층상 황산철에 대해 의아해해 왔습니다. SETI 연구소와 캘리포니아 실리콘 밸리에 있는 NASA의 Ames 연구 센터의 수석 연구 과학자인 Janice Bishop 박사가 주도한 새로운 조사에서는 이제 흔하지 않은 수산화황산철 상을 식별하고 특성화했습니다. 팀은 이러한 물질을 더 잘 이해하기 위해 실험실 실험과 화성의 궤도 관측을 결합했습니다. 그들의 결과는 화성의 지형을 형성하는 데 있어 열, 물, 화학 반응의 역할에 대한 새로운 단서를 제공합니다.

Bishop은 “우리는 궤도 데이터에서 볼 수 있는 신비한 스펙트럼 밴드와 층상 황산염 및 흥미로운 지질학을 포함하는 광대한 마리네리스 계곡 시스템 근처의 황산염 함유 지역 두 곳을 조사했습니다”라고 말했습니다.

Valles Marineris 근처의 연구 장소

이번 연구는 태양계에서 가장 큰 협곡 시스템 중 하나인 마리네리스 계곡(Valles Marineris)에 가까운 두 지역에 초점을 맞췄습니다. 한 곳은 고대 물이 북쪽의 낮은 지형을 향해 흘러갔던 협곡 시스템의 북동쪽에 위치한 아람 카오스(Aram Chaos)입니다. 두 번째 장소는 Valles Marineris 바로 북쪽에 위치한 5km 깊이의 협곡인 Juventae Chasma 위의 고원에 있습니다.

유벤타 고원(Juventa Chasma 위)

마리네리스 계곡(Valles Marineris) 절벽 근처에 있는 이 지역은 과거 더 습했던 흔적을 간직하고 있습니다. 흐르는 물이 조각한 고대 수로가 풍경을 가로지릅니다. 과학자들은 황산염이 풍부한 물이 점차 증발하면서 형성되었을 가능성이 있는 작은 저지대에 황산염 광물이 집중되어 있음을 발견했습니다. 물이 사라지면서 수화된 황산제1철이 남았습니다.

수산화황산철을 포함한 이러한 광물은 현무암 물질 위와 아래에 위치하는 약 1미터 두께의 얇은 층에서 발생합니다. 이들의 위치는 이들이 원래 형성된 이후 나중에 용암이나 화산재의 열에 노출되었음을 암시합니다.

이번 연구의 공동 저자이자 행성 과학 연구소의 선임 과학자인 캐서린 와이츠(Catherine Weitz) 박사는 “이 네 가지 구성 단위의 형태와 층위학에 대한 조사를 통해 서로 다른 단위 사이의 연대와 형성 관계를 결정할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

아람 혼돈의 증거

황산염 광물은 Valles Marineris 지역 전체, 특히 혼란스러운 지형이라 불리는 거친 지형에 널리 퍼져 있습니다. 과학자들은 이 지역이 오래 전에 대규모 홍수로 인해 표면이 재형성되면서 형성되었다고 믿고 있습니다. 물이 증발하면서 철과 황산마그네슘의 층상 퇴적물이 남았는데, 이는 과거에 화성이 훨씬 더 습했다는 증거를 제공합니다.

고대 충돌 분화구 내에 형성된 혼돈 지형 중 하나의 최상층에는 다가 황산염이 포함되어 있습니다. 그 아래에는 일수화물 황산염과 수산화황산철 층이 있습니다.

열이 화성의 황산염을 어떻게 변화시켰는가

이러한 황산염 유형 각각은 CRISM 장비를 사용하여 궤도에서 감지할 수 있는 고유한 스펙트럼 특성을 가지고 있습니다. 처음에는 이러한 광물층의 배열을 설명하기가 어려웠습니다. 실험실 실험은 퍼즐을 해결하는 데 도움이 되었습니다. 연구자들은 다가 황산염을 50°C로 가열하면 이를 일수화물 형태로 전환한다는 사실을 발견했습니다. 온도가 100°C를 초과하면 수산화황산철이 형성됩니다. 이러한 결과는 지열이 광물이 퇴적된 후 광물을 변화시켰을 가능성이 있음을 나타냅니다.

다중수화 및 단일수화 황산염은 이 지역의 넓은 지역에 걸쳐 나타납니다. 수산화철 황산철은 훨씬 더 드물며 몇몇 작은 위치에서만 발생합니다. 과학자들은 한때 이 지역 아래에 따뜻한 지열원이 존재하여 이 광물을 생성하는 데 필요한 조건을 생성했다고 의심합니다. 추가 퇴적물은 일수화 황산염 층 아래에 ​​묻혀 있을 수 있습니다.

실험실 실험을 통해 미네랄 변형이 밝혀졌습니다

SETI 연구소와 NASA Ames의 연구원들은 이러한 광물이 어떻게 진화하는지 추적하기 위해 실험실 실험을 수행했습니다. 이 과정은 로제나이트(Fe)로 시작됩니다.²⁺그래서₄·4시간₂O), 이는 각 단위 셀에 4개의 물 분자를 포함합니다. 가열하면 szomolnokite(Fe)로 변합니다.²⁺그래서₄·시간₂O) 물 분자가 하나만 포함되어 있습니다. 계속 가열하면 광물 구조에서 OH가 H2O를 대체하는 수산화황산철이 생성됩니다.

NASA Ames의 박사후 연구원인 Johannes Meusburger 박사는 “우리의 실험은 이 수산화황산철이 수화된 황산철이 산소 존재 하에서 가열될 때만 형성된다는 것을 시사합니다”라고 말했습니다. “원자 구조의 변화는 매우 작지만, 이 반응은 이러한 광물이 적외선을 흡수하는 방식을 대폭 변경하여 CRISM을 사용하여 화성에서 이 새로운 광물을 식별할 수 있게 했습니다.”

화성의 산소와 화학 반응

이 화학 반응에는 산소 가스가 필요하고 물이 생성됩니다(식 1). 화성은 현재 CO가 지배하는 얇은 대기를 가지고 있습니다.₂그러나 이 반응이 일어나고 다른 형태의 철도 산화되기에 충분한 산소가 여전히 포함되어 있습니다.

방정식 1: 4Fe²⁺그래서₄·시간₂오 + 오₂ → 4페³⁺그래서₄오 + 2시간₂영형

Bishop은 “이 실험실 실험에서 형성된 물질은 독특한 결정 구조와 열 안정성으로 인해 새로운 광물일 가능성이 높습니다.”라고 말했습니다. “그러나 과학자들은 이를 새로운 광물로 공식적으로 인정하기 위해 지구에서도 이를 발견해야 합니다.”

화성의 지질학적 활동에 대한 단서

새로 확인된 수산화황산제2철은 1수화된 황산제1철인 쇼몰노카이트(szomolnokite)와 유사한 결정 구조를 가지고 있습니다. 그러나 4개의 물 분자를 포함하는 로제나이트에서 더 쉽게 형성되는 것으로 보입니다.

수화된 황산제1철에서 수산화황산제2철로의 전환은 온도가 일반적인 화성 표면 조건보다 훨씬 더 높은 100°C를 초과할 때만 발생합니다. 수산화철 황산철을 포함하여 Aram Chaos와 Juventae에서 관찰된 황산염은 아마도 주변 지형보다 더 최근에 형성되었을 것입니다. 연구자들은 이들의 연대가 아마존 시대(<30억년 전)로 거슬러 올라갈 수 있다고 제안합니다.

연구 결과는 Juventae 고원의 화산열과 Aram Chaos 아래의 지열 에너지가 일반적인 수화 황산염을 수산화황산 제2철로 변환할 수 있음을 나타냅니다. 이 발견은 화성의 일부가 이전에 생각했던 것보다 최근에 화학적, 열적 활성 상태를 유지하고 있음을 시사하며, 이는 화성의 진화하는 표면과 생명 유지 능력에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

화성에 있는 수산화철 황산철의 특성화 및 그 형성을 뒷받침하는 지구화학적 환경의 의미에 관한 논문이 다음 학술지에 게재되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.

그 잠재력에도 불구하고 이 기술은 심각한 장애물에 직면해 있습니다. 이온이 빠르게 통과할 수 있도록 설계된 멤브레인은 전하를 효과적으로 분리하는 능력을 상실하는 경우가 많습니다. 게다가 구조적 내구성을 유지하는 것도 어렵다는 것이 입증되었습니다. 이러한 제한으로 인해 대부분의 삼투 에너지 시스템은 주로 실험실 실험에만 국한되어 있습니다.

지질 코팅된 나노기공으로 이온 흐름 개선

EPFL 공과대학의 Aleksandra Radenovic이 이끄는 나노크기 생물학 연구소(LBEN)의 과학자들은 전자현미경 학제간 센터(CIME)의 연구원들과 함께 이러한 문제에 대한 해결책을 시연했습니다. 그들의 연구 결과는 자연에너지.

연구팀은 리포솜(리포솜)으로 알려진 작은 지질 기포로 나노기공을 코팅하여 이온 이동을 개선했습니다. 정상적인 조건에서 이러한 나노기공은 이온이 높은 정밀도로 통과할 수 있지만 매우 느린 속도로 통과합니다. 그러나 지질층으로 코팅되면 나노기공을 통해 선택된 이온이 훨씬 더 쉽게 이동할 수 있습니다. 마찰이 감소하면 이온 전달이 크게 증가하고 시스템의 전반적인 성능이 향상됩니다.

“우리의 연구는 삼투압 에너지 수확에 대한 두 가지 주요 접근법, 즉 높은 다공성 구조에 영감을 주는 고분자 막과 고도로 전하된 나노기공을 정의하는 데 사용하는 나노유체 장치의 강점을 결합합니다”라고 Radenovic은 말했습니다. “확장 가능한 멤브레인 레이아웃과 정밀하게 설계된 나노유체 채널을 결합함으로써 우리는 매우 효율적인 삼투 에너지 변환을 달성하고 나노유체 기반 청색 에너지 시스템을 향한 길을 열었습니다.”

나노기공 내부의 수화 윤활

연구에 사용된 윤활 코팅은 살아있는 세포막에서 흔히 발견되는 구조인 지질 이중층을 기반으로 합니다. 이러한 이중층은 두 개의 지방 분자 층이 발수성(소수성) 꼬리가 안쪽을 향하고 물을 끌어당기는(친수성) 머리가 바깥쪽을 향하도록 정렬될 때 자연적으로 조립됩니다.

질화 규소 막에 내장된 종유석 모양의 나노 기공에 적용하면 바깥쪽을 향한 친수성 머리가 매우 얇은 물 층을 끌어당깁니다. 이 물 층은 두께가 몇 분자에 불과하지만 나노기공 표면에 달라붙어 이온이 직접 상호 작용하는 것을 방지합니다. 결과적으로 마찰이 줄어들고 이온이 더 원활하게 기공을 통과할 수 있습니다.

블루 에너지의 더 높은 전력 출력

디자인을 테스트하기 위해 연구진은 육각형 패턴으로 배열된 1,000개의 지질 코팅 나노기공을 포함하는 막을 제작했습니다. 그런 다음 그들은 바닷물과 강물이 만나는 곳에서 발견되는 천연 염분 농도를 모방하는 조건에서 장치를 평가했습니다.

이 시스템은 평방 미터당 약 15와트의 전력 밀도를 달성했습니다. 이 출력은 현재 고분자막 기술이 생산할 수 있는 것보다 대략 2~3배 더 높습니다.

실용적인 블루 에너지 시스템을 향한 발걸음

이전 컴퓨터 시뮬레이션에서는 나노유체 채널의 이온 흐름과 선택성을 모두 개선하면 삼투 에너지 생성을 극적으로 향상시킬 수 있다고 제안했습니다. 그러나 동시에 두 가지 개선 사항을 보여주는 실험은 거의 없습니다.

LBEN 연구원인 Tzu-Heng Chen은 “나노 기공 형상 및 표면 특성에 대한 정밀한 제어가 어떻게 근본적으로 이온 전달을 재형성할 수 있는지 보여줌으로써 우리 연구는 청색 에너지 연구를 성능 테스트를 넘어 진정한 디자인 시대로 이동시켰습니다”라고 말했습니다.

제1저자인 Yunfei Teng은 팀의 “수화 윤활” 전략이 삼투 에너지 시스템 이상의 응용 분야를 가질 수 있다고 지적합니다. “수화 윤활에 의해 우리가 관찰한 향상된 운송 거동은 보편적이며 동일한 원리가 청색 에너지 장치를 넘어 확장될 수 있습니다”라고 그는 말합니다.

첨단 영상 및 연구 시설

이 프로젝트는 또한 나노기공 구조와 화학적 조성에 대한 상세한 분석에 의존했습니다. 이 작업은 EPFL 전자현미경 학제간 센터(CIME)의 Victor Boureau 박사가 수행했습니다. 추가 지원은 CMi, MHMC 및 SCITAS를 포함하여 나노 제조, 재료 특성화 및 고성능 컴퓨팅을 위한 EPFL의 공유 연구 시설에서 나왔습니다.

Dimorphos와 더 큰 파트너인 Didymos는 중력에 의해 서로 묶여 있습니다. 두 소행성은 과학자들이 쌍성계라고 부르는 공유 질량 중심을 공전합니다. 그것들은 중력적으로 연결되어 있기 때문에 둘 중 하나의 변화가 다른 것의 움직임에 영향을 미칠 수 있습니다.

인류가 처음으로 태양 궤도를 변경했습니다.

저널에 발표된 연구에 따르면 과학 발전과학자들은 충돌 후 소행성 쌍의 움직임을 주의 깊게 추적했습니다. 그들의 측정에 따르면 태양 주위를 도는 시스템의 770일 궤도는 충돌 후 몇 분의 1초만큼 변경되었습니다.

이는 인간이 만든 우주선이 태양 주위의 자연 물체의 궤도를 측정 가능하게 변경한 최초의 사례입니다.

워싱턴에 있는 NASA 본부의 태양계 소형 물체 수석 과학자인 Thomas Statler는 “이것은 궤도에 대한 작은 변화이지만 충분한 시간이 주어지면 작은 변화라도 상당한 편향으로 커질 수 있습니다”라고 말했습니다. “팀의 놀랍도록 정확한 측정은 소행성 위험으로부터 지구를 방어하기 위한 기술로서 운동 충격을 다시 한번 검증하고 쌍의 소행성이 쌍 중 단 하나의 구성원에 충돌함으로써 어떻게 편향될 수 있는지를 보여줍니다.”

충격으로 인한 잔해로 인해 추진력이 증폭됨

DART 우주선이 디모르포스(Dimorphos)를 강타했을 때, 거대한 암석 파편 기둥을 우주로 폭발시켜 폭이 약 170미터인 소행성의 모양을 바꾸었습니다. 잔해는 소행성으로부터 추진력을 멀리 운반하여 효과적으로 충격에 추가 추력을 추가했습니다. 과학자들은 이 효과를 운동량 향상 요인이라고 부릅니다.

표면에서 더 많은 물질이 방출될수록 소행성에 더 많은 힘이 가해집니다. 연구원들은 DART 충격으로 인한 모멘텀 강화 요인이 약 2라고 판단했습니다. 즉, 잔해는 우주선 단독으로 생성되는 힘의 약 두 배를 차지합니다.

이전 연구에서는 충돌로 인해 직경이 거의 0.5마일(805m)에 달하는 더 큰 소행성 디디모스(Didymos) 주위의 디모르포스의 궤도가 원래 12시간 주기보다 33분 단축된 것으로 나타났습니다.

새로운 연구에서는 충돌로 인해 쌍성계에서 태양 주위의 경로가 약간 변경될 만큼 충분한 물질이 방출된다는 사실도 발견했습니다. 구체적으로, 시스템의 궤도 주기는 약 0.15초만큼 변경되었습니다.

“쌍성계의 궤도 속도 변화는 초당 약 11.7미크론, 즉 시간당 1.7인치였습니다.”라고 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 연구 주저자인 라힐 마카디아(Rahil Makadia)가 말했습니다. “시간이 지남에 따라 소행성 움직임의 이러한 작은 변화는 위험한 물체가 지구에 부딪힐지 아니면 놓칠지의 차이를 만들 수 있습니다.”

작은 궤도 변화가 중요한 이유

디디모스 자체는 지구를 향한 경로에 있었던 적이 없으며, DART 실험도 디디모스를 지구에 배치할 수 없었습니다. 그러나 궤도 속도의 작은 변화는 과학자들이 충분히 일찍 발견하면 위협적인 소행성의 방향을 바꾸는 데 우주선이 어떻게 사용될 수 있는지를 보여줍니다.

이 시나리오에서는 우주선이 물체에 충돌하여 속도가 약간 변경됩니다. 시간이 지남에 따라 그 작은 변화는 지구와의 충돌을 방지할 만큼 충분히 큰 편차로 축적될 수 있습니다.

이러한 위협에 대한 조기 탐지를 개선하기 위해 NASA는 NEO(Near-Earth Object) 측량사 임무를 개발하고 있습니다. 남부 캘리포니아에 있는 NASA의 제트 추진 연구소가 관리하는 이 임무는 행성 방어를 위해 특별히 설계된 최초의 우주 망원경을 배치할 것입니다.

망원경은 가시광선을 거의 반사하지 않는 어두운 소행성과 혜성을 포함하여 지구 근처의 물체를 감지하기 어려운 물체를 검색합니다.

항성 엄폐로 소행성 추적

DART 충돌이 두 소행성에 모두 영향을 미쳤다는 사실을 확인하기 위해 연구자들은 태양 주위의 디디모스 궤도를 매우 정확하게 측정해야 했습니다. 레이더 및 기타 지상 기반 관측 외에도 그들은 별의 엄폐에 의존했습니다.

별 엄폐는 소행성이 먼 별 바로 앞을 지나갈 때 발생하며 잠깐 동안 빛을 차단합니다. 그 순간적인 소멸을 관찰함으로써 과학자들은 소행성의 위치, 속도, 모양을 놀랄 만큼 정확하게 계산할 수 있습니다.

이러한 이벤트를 캡처하는 것은 어려울 수 있습니다. 관측자는 소행성이 별 앞을 지나갈 것으로 예상되는 경로를 따라 정확히 올바른 위치에 위치해야 합니다. 이를 위해서는 종종 여러 관측소가 수 마일 떨어져 있어야 합니다.

연구원들은 2022년 10월부터 2025년 3월 사이에 22개의 별 엄폐 현상을 기록한 전 세계 자원 봉사 천문학자들의 도움을 받았습니다.

JPL의 수석 연구 과학자인 공동 책임자인 스티브 체슬리(Steve Chesley)는 “수년간의 기존 지상 관측과 결합하면 이러한 별 엄폐 관측이 DART가 디디모스의 궤도를 어떻게 변화시켰는지 계산하는 데 핵심이 되었습니다”라고 말했습니다. “이 작업은 날씨에 크게 좌우되며 성공을 보장할 수 없는 외딴 지역으로 여행을 떠나야 하는 경우가 많습니다. 이 결과는 전 세계 수십 명의 엄폐 관찰 자원 봉사자들의 헌신이 없었다면 불가능했을 것입니다.”

디모르포스가 어떻게 형성되었는지에 대한 단서

소행성의 움직임을 추적하는 것은 과학자들이 두 물체의 밀도를 추정하는 데에도 도움이 되었습니다. 결과는 디모르포스가 이전에 생각했던 것보다 밀도가 약간 낮다는 것을 시사합니다.

이 발견은 빠르게 회전하는 디디모스가 흘린 잔해로부터 디모르포스가 형성되었다는 생각을 뒷받침합니다. 시간이 지남에 따라 느슨한 암석 물질은 중력에 의해 서로 모여 과학자들이 “잔해 더미”소행성이라고 부르는 것을 만들었습니다.

천체를 이동시키려는 인류 최초의 시도

DART 우주선은 NASA의 행성방위조정국(Planetary Defense Coordination Office)을 위해 메릴랜드 주 로렐에 있는 존스 홉킨스 응용 물리학 연구소에서 설계, 제작 및 운영되었습니다. 이 사무실은 잠재적인 소행성 위협으로부터 지구를 보호하기 위한 NASA의 작업을 이끌고 있습니다.

이번 임무는 인간이 우주에서 자연 물체의 움직임을 의도적으로 변경한 최초의 사례로, 위험한 소행성으로부터 지구를 보호할 수 있는 가능한 전략을 실제 세계에서 보여주었습니다.

물리학자들은 이를 하나의 이론으로 통합할 수 있는 여러 가지 가능한 방법을 제안했습니다. 끈 이론, 루프 양자 중력, 표준 양자 중력 및 점근적으로 안전한 중력과 같은 아이디어는 모두 격차를 해소하려고 시도합니다. 각 접근 방식에는 장점과 한계가 있습니다. 지금까지 연구자들이 부족했던 것은 어떤 이론이 자연이 실제로 어떻게 작동하는지 가장 잘 반영하는지 결정하기 위해 실험이 측정할 수 있는 명확하고 관찰 가능한 효과입니다. TU Wien의 새로운 연구는 이 문제를 해결하기 위한 한 단계를 나타낼 수 있습니다.

양자중력의 ‘슬리퍼’를 찾아서

“이것은 약간 신데렐라 동화와 비슷합니다”라고 TU Wien 이론 물리학 연구소의 Benjamin Koch는 말합니다. “여러 후보가 있지만 그 중 단 한 명만이 우리가 찾고 있는 공주가 될 수 있습니다. 왕자가 슬리퍼를 찾아야 진짜 신데렐라를 식별할 수 있습니다. 불행히도 양자 중력에서는 아직 그런 슬리퍼를 찾지 못했습니다. 이는 어떤 이론이 옳은지 명확하게 알려주는 관찰 가능입니다.”

다양한 이론을 테스트하는 측정 가능한 방법을 의미하는 올바른 “신발 크기”를 식별하기 위해 연구자들은 측지학이라는 상대성 이론의 핵심 개념에 중점을 두었습니다. “실질적으로 우리가 일반상대론에 대해 알고 있는 모든 것은 측지학의 해석에 달려 있습니다”라고 Benjamin Koch는 설명합니다.

측지선은 두 지점 사이의 최단 경로를 설명합니다. 평평한 표면에서 그 경로는 단순히 직선입니다. 곡면에서는 상황이 더욱 복잡해집니다. 예를 들어, 지구 표면을 따라 북극에서 남극까지 이동하는 것은 반원을 따르며, 이는 구에서 가능한 최단 경로를 나타냅니다.

아인슈타인의 이론은 공간과 시간을 시공간이라는 하나의 4차원 구조로 연결합니다. 별이나 행성과 같은 질량이 큰 물체는 이 시공간을 휘게 만듭니다. 일반 상대성 이론에 따르면, 태양의 질량이 시공간을 휘게 하고 지구가 궤도를 따라가는 경로를 형성하기 때문에 지구는 태양 주위를 돌고 있습니다.

시공간 경로의 양자 버전 만들기

이러한 경로의 정확한 모양은 시공간이 얼마나 강하게 휘어지는지를 측정하는 미터법에 따라 달라집니다. “우리는 이제 이 측정법에 양자물리학의 규칙을 적용하려고 시도할 수 있습니다”라고 Benjamin Koch는 말했습니다. “양자 물리학에서 입자는 정확하게 정의된 위치나 정확하게 정의된 운동량을 갖지 않습니다. 대신 둘 다 확률 분포로 설명됩니다. 둘 중 하나를 더 정확하게 알수록 다른 하나는 더 모호하고 불확실해집니다.”

양자 이론은 정확한 입자 특성을 파동 함수로 알려진 수학적 대상으로 대체합니다. 비슷한 방식으로 물리학자들은 고전적인 상대성 이론을 양자 버전으로 대체하려고 시도할 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 시공간 곡률은 더 이상 모든 지점에서 완벽하게 정의되지 않습니다. 대신, 양자 불확실성의 영향을 받습니다.

이 아이디어는 매우 어려운 수학적 문제를 야기합니다.

박사 과정 학생인 Ali Riahinia 및 Angel Rincón(체코 공화국)과 함께 작업하는 Benjamin Koch는 구체적이지만 중요한 사례, 즉 시간이 지나도 일정하게 유지되는 구형 대칭 중력장에 대한 새로운 방법을 사용하여 측정법을 양자화했습니다.

이러한 모델은 태양의 중력장과 같은 시스템을 설명할 수 있습니다. 그런 다음 연구원들은 측정항목 자체가 양자량으로 처리될 때 이 필드에서 작은 물체가 어떻게 움직일지 계산했습니다.

“다음으로 우리는 이 중력장에서 작은 물체가 어떻게 행동하는지 계산하고 싶었지만 이 측정법의 양자 버전을 사용했습니다.”라고 Koch는 말했습니다. “그렇게 하면서 우리는 매우 조심해야 한다는 것을 깨달았습니다. 예를 들어, 시공간 곡률의 일종의 양자 평균인 기대값으로 미터법 연산자를 대체할 수 있는지 여부와 같이 우리는 이 질문에 수학적으로 답할 수 있었습니다.”

팀은 고전 측지학을 참조하여 명명된 q-desic 방정식이라는 새로운 방정식을 도출했습니다. “이 방정식은 고전 측지 방정식이 예측하는 것처럼 양자 시공간에서 입자가 항상 두 점 사이의 최단 경로를 따라 정확하게 이동하지 않는다는 것을 보여줍니다.” 자유롭게 움직이는 물체가 시공간을 통해 어떻게 이동하는지(예: 우주 공간에서 지구를 향해 떨어지는 사과 등)를 조사함으로써 과학자들은 잠재적으로 시공간 자체의 양자 특징을 감지할 수 있습니다.

작은 차이와 우주 규모 효과

이러한 양자 경로는 고전 상대성 이론에서 예측한 경로와 얼마나 다른가요? 연구자들이 일반적인 중력만을 고려한다면 그 차이는 극히 작습니다. “이 경우 우리는 약 10 정도의 편차를 갖게 됩니다.^-35 미터는 너무 작아 어떤 실험에서도 관찰할 수 없습니다.”라고 Benjamin Koch는 말합니다.

그러나 아인슈타인의 방정식에는 종종 “암흑 에너지”와 관련된 우주 상수로 알려진 또 다른 요소도 포함되어 있습니다. 이 구성 요소는 가장 큰 규모로 우주의 가속 팽창을 담당합니다. 연구자들이 우주 상수를 q-desic 방정식에 통합했을 때 결과는 극적으로 바뀌었습니다.

“그리고 우리가 그렇게 했을 때 우리는 깜짝 놀랐습니다.”라고 Benjamin Koch는 말했습니다. “q-desics는 이제 양자 물리학 없이 일반적인 방법으로 얻을 수 있는 측지선과 크게 다릅니다.”

예측된 편차는 매우 작은 거리와 매우 큰 우주 규모 모두에서 나타납니다. 작은 규모의 차이는 측정이 불가능할 가능성이 높습니다. 하지만 약 10km 거리에서²¹ 미터, 효과가 상당해질 수 있습니다.

“예를 들어 태양 주위를 도는 지구의 궤도에 있어서는 사실상 차이가 없습니다. 그러나 일반 상대성 이론의 주요 수수께끼가 풀리지 않은 매우 큰 우주론적 규모에서는 q-desic 방정식으로 예측한 입자 궤적과 양자화되지 않은 일반 상대성 이론에서 얻은 입자 궤적 사이에 분명한 차이가 있습니다”라고 Benjamin Koch는 말합니다.

양자 중력을 테스트하는 잠재적인 방법

Physical Review D 저널에 게재된 이 연구는 양자 이론과 중력을 연결하기 위한 새로운 수학적 프레임워크를 소개합니다. 더 중요한 것은 이론적 예측과 실제 관찰을 비교할 수 있는 경로를 제공할 수 있다는 것입니다.

벤자민 코크(Benjamin Koch)는 “처음에는 대규모 양자 수정이 그렇게 극적인 변화를 가져올 것이라고는 예상하지 못했습니다.”라고 말했습니다. “물론 이제 우리는 이것을 더 자세히 분석해야 합니다. 하지만 이 접근법을 더욱 발전시킴으로써 우리는 나선형 은하의 회전 속도에 대한 아직 풀리지 않은 수수께끼와 같은 중요한 우주 현상에 대한 새롭고 관측적으로 잘 테스트 가능한 통찰력을 얻을 수 있다는 희망을 갖게 됩니다.”

신데렐라 비유로 돌아가서 물리학자들은 마침내 양자 중력에 관한 경쟁 이론을 구별하는 데 도움이 될 수 있는 측정 가능한 단서를 식별했을 수 있습니다. 슬리퍼가 발견되었을 수도 있습니다. 다음 단계는 그것이 실제로 적합한 이론을 결정하는 것입니다.

에 발표된 연구에서 물리적 검토 X일리노이 대학교 어바나 샴페인(Urban Champaign) 그레인저 공과대학(Grainger College of Engineering) 연구원들은 어떻게 특별히 설계된 2차원 자기 시스템이 그래핀의 이동 전자를 설명하는 동일한 방정식을 따를 수 있는지를 보여주었습니다. 이러한 수학적 연결은 무선 주파수 장치의 설계에 영향을 미칠 수 있으며 연구자들에게 이러한 재료를 분석하고 엔지니어링하는 강력하고 새로운 방법을 제공할 수도 있습니다.

이번 연구의 수석 저자인 Bobby Kaman은 “2D 전자 장치와 2D 자기 동작 사이에 유사점이 있다는 것이 전혀 명확하지 않으며 우리는 이 비유가 얼마나 잘 작동하는지 여전히 놀랍습니다.”라고 말했습니다. “2D 전자공학은 그래핀의 발견 덕분에 매우 잘 연구되었으며, 이제 우리는 잘 연구되지 않은 종류의 재료가 동일한 기본 물리학을 따른다는 것을 보여주었습니다.”

메타물질과 그래핀에서 얻은 영감

이 개념은 Kaman의 메타물질 연구에서 비롯되었습니다. 이러한 물질은 더 큰 규모의 구조가 물질의 자연적인 원자 배열에서 일반적으로 발생하지 않는 동작을 생성하도록 설계되었습니다.

Axel Hoffmann 교수의 연구 그룹에서 일하는 재료 과학 및 공학 대학원생 Kaman은 소위 마그노닉 물질이라고 불리는 그래핀 전자와 미세한 자기 여기가 파동처럼 거동한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 유사성은 흥미로운 가능성을 불러일으켰습니다. 아마도 자기 시스템은 수학적으로 그래핀처럼 동작하도록 설계될 수 있을 것입니다.

“그래핀은 전도 전자가 질량 없는 파동으로 조직되기 때문에 독특합니다. 따라서 그래핀처럼 보이도록 마그노닉 물질의 물리적 기하학적 구조를 변경하면 그래핀처럼 작동하게 될지 궁금했습니다.”라고 Kaman은 말했습니다. “나는 이것이 그래핀과 몇 가지 유사한 특성을 가질 것이라고 생각했지만, 그 비유는 내가 예상했던 것보다 훨씬 더 깊고 풍부했습니다.”

그래핀을 모방한 자기 시스템 설계

아이디어를 탐구하기 위해 연구진은 육각형 패턴으로 배열된 작은 구멍을 포함하는 얇은 자기 필름을 모델링했습니다. 이 구조 내에서 “스핀”으로 알려진 미세한 자기 모멘트가 상호 작용하여 스핀파라는 이동 교란을 생성합니다.

연구팀은 이러한 스핀파의 에너지를 계산했을 때 스핀파의 수학적 거동이 그래핀을 통해 이동하는 전자의 수학적 거동과 밀접하게 일치한다는 사실을 발견했습니다.

시스템은 예상보다 훨씬 더 복잡한 것으로 나타났습니다. 연구자들은 단순한 일대일 비유 대신 9개의 서로 다른 에너지 밴드를 식별했습니다. 이러한 밴드를 사용하면 여러 유형의 동작이 동시에 나타날 수 있습니다. 그 중에는 그래핀의 전자파와 유사한 질량이 없는 스핀파뿐만 아니라 국지적 상태와 관련된 낮은 분산 밴드, 심지어 여러 밴드에 걸쳐 있는 위상 효과도 있습니다.

Hoffmann은 “Bobby의 작업을 놀랍게 만드는 것은 공학적 스핀 시스템과 기본 물리학 모델을 직접 연결한다는 것입니다.”라고 말했습니다. “마그닉 결정은 압도적으로 다양한 구조 및 기하학적 종속 현상을 생성하는 것으로 악명 높으며, 그 중 대부분은 실제로 이해되지 않은 채 분류되어 있습니다. 이 시스템의 그래핀 비유는 관찰된 동작에 대한 명확한 설명을 제공합니다.”

더 작은 마이크로파 장치의 가능성

기초 물리학에 대한 중요성 외에도 이 연구는 실용적인 응용이 가능합니다. 팀은 이 시스템이 무선 및 셀룰러 통신에 사용되는 마이크로파 기술에 유용할 수 있다고 믿습니다.

Hoffmann은 “이러한 장치 중 하나는 마이크로파 무선 신호가 한 방향으로만 전파되도록 허용하는 ‘마이크로파 순환기’입니다.”라고 설명했습니다. “그들은 일반적으로 부피가 크지만, 우리가 연구한 마그노닉 시스템을 통해 마이크로파 장치를 마이크로미터 규모로 소형화할 수 있습니다.”

Hoffmann의 연구 그룹은 이미 마이크로파 장치 개념을 다루는 특허 출원을 제출했습니다.

임진호(Jinho Lim)와 류잉카이(Yingkai Liu)도 연구에 기여했다.

이 연구에 대한 지원은 국립과학재단(National Science Foundation)을 통해 일리노이 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(Illinois Materials Research Science and Engineering Center)에서 제공했습니다.

Axel Hoffmann은 재료 과학 및 공학과의 재료 과학 및 공학을 전공하는 일리노이 Grainger 공학 교수입니다. 그는 또한 재료 연구소에 소속되어 있으며 창립 교수로 임명되어 있습니다.

지금까지 알려진 모든 사례는 매우 불안정하고 중성자가 풍부한 핵에서 발생했습니다. 예를 들면 베릴륨-12(N = 8), 마그네슘-32(N = 20), 크롬-64(N = 40). 이 모든 것들은 자연에서 흔히 발견되는 안정된 원소들과는 거리가 멀습니다.

과학자들이 놀라운 핵섬을 발견하다

국제 연구팀의 새로운 연구에서 예상치 못한 사실이 밝혀졌습니다. 희귀 핵 연구 센터, 기초 과학 연구소(IBS), 파도바 대학교, 미시간 주립 대학교, 스트라스부르 대학교 및 기타 여러 기관의 과학자들이 아무도 예상하지 못한 장소에서 반전 섬을 확인했습니다.

새로 발견된 영역은 중성자 무거운 핵에 나타나는 대신 핵 차트의 가장 대칭적인 부분 중 하나에 존재합니다. 이 영역에서는 양성자와 중성자의 수가 동일합니다.

희귀 몰리브덴 동위원소 연구

연구진은 두 가지 몰리브덴 동위원소인 몰리브덴-84(지 = N = 42) 및 몰리브덴-86(지 = 42, N = 44). 둘 다 옆에 누워있다. N = 지 핵물리학에서 특히 중요한 선입니다. 그러나 이러한 동위원소는 실험실 실험에서 생성하기가 어렵기 때문에 연구하기가 매우 어렵습니다.

미시간 주립대학교의 희귀 동위원소 빔과 매우 민감한 감마선 검출기를 사용하여 연구팀은 여기된 핵 상태의 수명을 피코초 단위의 정밀도로 측정했습니다.

필요한 빔을 생성하기 위해 과학자들은 Mo-92 이온을 가속하고 이를 베릴륨 표적에 발사하여 빠르게 움직이는 Mo-86 핵을 생성했습니다. A1900 분리기는 충돌 중에 생성된 많은 입자에서 원하는 조각을 분리하는 데 사용되었습니다. Mo-86 빔은 두 번째 목표를 향해 발사되었습니다. 이 단계에서 일부 핵은 여기된 반면 다른 핵은 두 개의 중성자를 잃고 Mo-84로 변환되었습니다.

이 핵은 가장 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 내부 구조에 대한 단서를 제공하는 감마선을 방출했습니다.

감마선 측정으로 핵 구조 밝혀져

방출된 감마선은 개별 감마선 상호작용을 추적할 수 있는 고해상도 게르마늄 검출기 어레이인 GRETINA를 사용하여 검출되었습니다. 과학자들은 또한 1조분의 1초에 불과한 극히 짧은 수명을 측정하도록 설계된 장비인 TRIPLEX를 사용했습니다.

연구원들은 측정값을 GEANT4 Monte Carlo 시뮬레이션과 비교했습니다. 이를 통해 그들은 첫 번째 여기된 핵 상태의 수명을 결정하고 핵이 구형에서 얼마나 왜곡되었는지 추정할 수 있었습니다.

Mo-84와 Mo-86의 극적인 차이점

결과는 두 동위원소 사이의 현저한 대조를 보여주었습니다. Mo-84와 Mo-86은 중성자 2개만 다르지만 동작은 매우 다릅니다.

Mo-84는 비정상적으로 많은 양의 집단 움직임을 보여줍니다. 이는 많은 양성자와 중성자가 주요 껍질 간격을 통해 함께 이동한다는 것을 의미합니다. 핵 물리학자들은 이 현상을 “입자 구멍 여기”라고 설명합니다. 이 과정에서 일부 핵자는 더 높은 에너지 궤도로 점프하여 입자가 되고, 낮은 에너지 궤도에는 빈 공간이나 구멍을 남깁니다.

많은 핵자가 이러한 조정된 전이에 참여할 때 핵은 강하게 변형됩니다.

입자 구멍 여기 및 핵 변형

상세한 이론적 계산은 왜 두 동위원소가 그렇게 다르게 행동하는지 설명하는 데 도움이 되었습니다. Mo-84에서는 양성자와 중성자가 동시에 매우 큰 입자 구멍 여기를 겪습니다. 실제로 핵은 8개 입자, 8개 구멍 재배열을 효과적으로 경험합니다. 이러한 광범위한 재구성으로 인해 매우 변형된 핵 모양이 생성됩니다.

효과는 양성자 중성자 대칭과 쉘 간격의 축소 사이의 상호작용에서 발생합니다. N = 지 = 40. 이 조합은 많은 핵자가 동시에 간격을 건너뛰는 것을 더 쉽게 만듭니다.

연구진은 또한 세 가지 핵력을 고려하지 않고는 이러한 결과를 재현할 수 없다는 사실도 발견했습니다. 이러한 상호작용에서는 세 개의 핵자가 동시에 서로 영향을 미칩니다. 전통적인 두 개의 핵자 상호작용만을 포함하는 모델은 관찰된 구조를 생성하지 못합니다.

새로운 형태의 반전섬

Mo-86은 상당히 다르게 동작합니다. 이는 보다 적당한 4p-4h 여기를 나타내므로 훨씬 덜 변형된 상태로 유지됩니다.

종합해 보면, 연구 결과에 따르면 Mo-84는 새로 확인된 “역전섬” 내부에 있고 Mo-86은 이 지역 외부에 있는 것으로 나타났습니다.

이번에 새로 발견된 “아이소스핀 대칭 역전섬”은 N = 지 핵 Mo-84는 양성자 중성자 대칭 시스템에서 반전섬의 첫 번째 알려진 예를 나타냅니다. 이번 발견은 이러한 특이한 핵 지역이 어디에서 형성될 수 있는지에 대한 오랜 가정에 도전하고 원자핵을 함께 묶는 근본적인 힘에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

또 다른 주요 어려움은 이온이 액체와 같은 방식으로 결정을 통해 이동할 때를 감지하고 예측하는 것입니다. 동적으로 무질서한 시스템의 특성을 계산하려고 시도하는 표준 계산 기술은 극도로 높은 계산 능력을 요구하므로 대규모 연구를 비현실적으로 만듭니다.

기계 학습으로 액체와 유사한 이온 운동의 라만 신호 예측

이러한 과제를 해결하기 위해 연구원들은 ML 역장과 장력 ML 모델을 결합하여 라만 스펙트럼을 시뮬레이션하는 기계 학습(ML) 가속화 워크플로를 개발했습니다. 그들의 연구 결과는 강한 저주파 라만 강도가 액체와 같은 이온 전도의 명확한 분광 지표로 작용할 수 있음을 보여줍니다.

이온이 유체와 같은 방식으로 결정 격자를 통해 이동할 때, 그 움직임은 일시적으로 격자 대칭을 방해합니다. 이 교란은 일반적인 라만 선택 규칙을 완화하고 독특한 저주파 라만 산란을 생성합니다. 이러한 스펙트럼 신호는 높은 이온 이동도에 직접 연결될 수 있습니다.

새로운 접근 방식을 통해 과학자들은 계산 비용을 크게 줄이면서 거의 순정 정확도로 실제 온도에서 복잡하고 무질서한 재료의 진동 스펙트럼을 시뮬레이션할 수 있습니다. Na 등 나트륨이온 전도성 물질에 적용 시₃SBS₄이 방법은 뚜렷한 저주파 라만 특징을 드러냈습니다. 이러한 신호는 빠른 이온 전달로 인한 대칭 파괴로 인해 발생하며 빠른 이온 전도에 대한 신뢰할 수 있는 지표를 제공합니다. 이 결과는 또한 초기 실험 관찰을 설명하는 데 도움이 되며 새로운 초이온 물질에 대한 높은 처리량 스크리닝의 문을 여는 데 도움이 됩니다.

Raman의 초이온 전도체 공개

연구진은 나트륨 이온 전도 시스템을 사용하여 이 방법을 추가로 테스트했습니다. 워크플로우는 액체와 같은 이온 운동과 연결된 라만 시그니처를 성공적으로 식별했습니다. 강한 저주파 라만 특성을 나타내는 물질은 또한 높은 이온 확산성과 호스트 격자의 동적 이완을 보여주었습니다.

대조적으로, 이온 수송이 주로 고정된 위치 사이의 호핑을 통해 발생하는 물질은 이러한 라만 시그니처를 생성하지 않았습니다. 이러한 구별은 라만 신호가 재료 내부의 기본 전송 메커니즘을 어떻게 드러낼 수 있는지를 강조합니다.

첨단 배터리 소재 발굴 가속화

이 연구는 전통적인 초이온 시스템을 넘어 라만 선택 규칙의 분석을 확장함으로써 다양한 종류의 재료에 걸쳐 확산 라만 산란을 해석하기 위한 더 넓은 틀을 제공합니다. ML 가속 Raman 파이프라인은 원자 시뮬레이션과 실험 측정을 연결하여 과학자들이 후보 물질을 보다 효율적으로 평가할 수 있도록 합니다.

이 전략은 에너지 저장 연구에서 데이터 중심 발견을 위한 강력하고 새로운 경로를 소개합니다. 연구자들이 고속 이온 전도체를 신속하게 식별할 수 있도록 지원함으로써 이 방법은 고성능 전고체 배터리 기술 개발을 가속화할 수 있습니다.

이번 연구 결과는 최근 학제간 인공지능 연구에 초점을 맞춘 국제학술지 ‘AI for Science’ 온라인판에 게재됐다.