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“우리의 분석은 독특한 행성 배열을 보여줍니다. 두 개의 행성이 하나의 별을 통과하고 있고 세 번째 행성이 ​​동반 별을 통과하고 있습니다”라고 리에주 대학(ULiège)의 연구원이자 논문의 제1저자인 Sebastián Zúñiga-Fernández는 설명합니다. “이로 인해 TOI-2267은 두 별 주위를 통과하는 행성을 호스팅하는 것으로 알려진 최초의 쌍성계가 되었습니다.”

작고 특이한 더블 스타 시스템

TOI-2267은 두 개의 별이 가까운 궤도를 그리며 춤을 추고 있는 것으로 구성되어 있으며, 천문학자들이 소형 쌍성계라고 부르는 것을 형성하고 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 행성 형성을 방해하는 중력을 생성합니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 촘촘한 궤도를 돌고 있는 지구 크기의 행성 3개를 발견했습니다. 이는 암석 세계가 존재할 수 있다는 오랜 이론에 도전하는 놀라운 결과입니다.

이번 연구의 공동 리더이자 IAA-CSIC(Instituto de Astrofísica de Andalucía)의 연구원인 Francisco J. Pozuelos는 “우리의 발견은 알려진 행성이 있는 가장 작고 가장 차가운 별 쌍이며 행성이 두 구성 요소 주위를 통과하는 것으로 기록된 최초의 발견이기 때문에 여러 기록을 깨뜨렸습니다.”라고 말했습니다.

우주와 지상 관측의 결합

NASA의 TESS 우주 망원경은 이 발견으로 이어지는 데이터를 처음으로 제공했습니다. 행성 중 두 개는 처음에 ULiège와 IAA-CSIC의 천문학자들이 맞춤형 소프트웨어 도구인 SHERLOCK을 사용하여 식별했습니다. 이러한 조기 탐지는 결과를 확인하기 위해 지상 관찰을 촉발했습니다.

확인 과정에는 여러 관측소가 참여하는 큰 노력이 필요했습니다. 가장 중요한 것 중에는 ULiège(PI: Michaël Gillon)가 운영하는 SPECULOOS 및 TRAPPIST 망원경이 있습니다. 차갑고 희미한 별 주위의 작은 외계 행성을 탐지하도록 설계된 이 로봇 장비는 행성을 확인하고 그 특성을 자세히 연구하는 데 필수적이었습니다.

행성 형성을 위한 천연 테스트베드

Zúñiga-Fernández는 “이렇게 컴팩트한 쌍성계에서 지구 크기의 행성 3개를 발견하는 것은 독특한 기회입니다.”라고 말했습니다. “이를 통해 우리는 복잡한 환경에서 행성 형성 모델의 한계를 테스트하고 우리 은하계에서 가능한 행성 구조의 다양성을 더 잘 이해할 수 있습니다.”

Pozuelos는 “이 시스템은 이전에 안정성이 손상될 것이라고 생각했던 극단적인 역학적 조건에서 암석 행성이 어떻게 출현하고 생존할 수 있는지 이해하기 위한 진정한 자연 실험실입니다.”라고 덧붙였습니다.

미래 탐사를 앞두고

이 발견은 행성이 쌍성계에서 어떻게 형성되고 지속되는지에 대한 새로운 질문을 열어줍니다. JWST(James Webb Space Telescope)와 차세대 지상 관측소를 통한 향후 관측을 통해 행성의 질량, 밀도, 심지어 대기 구성과 같은 더 많은 세부 사항을 밝힐 수 있습니다.

이번 발견은 과학적 중요성 외에도 TESS와 같은 우주 기반 관측소의 데이터를 SPECULOOS 및 TRAPPIST와 같은 정밀 지상 기반 장비와 결합하는 것의 가치를 강조합니다. 그들은 함께 행성계가 은하계 전반에 걸쳐 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 우리의 이해를 계속 확장하고 있습니다.

공상 과학 소설처럼 들릴 수도 있지만, 이 획기적인 발전은 현실입니다. Davide Bossini가 이끄는 콘스탄츠 대학의 물리학자 팀은 이를 가능하게 하는 실험 기술을 개발했습니다. 레이저 펄스를 사용하여 마그논 쌍(스핀파의 양자)을 일관되게 자극함으로써 연구원들은 정보 기술과 양자 연구 모두에 영향을 미칠 수 있는 놀라운 효과를 달성했습니다. 그들의 연구 결과는 과학 발전.

마그논 기반 기술

더 깊이 들어가기 전에 마그논이 무엇인지, 왜 중요한지 이해하는 것이 도움이 됩니다. 현대 사회는 인공지능과 ‘사물인터넷’을 통해 엄청난 양의 데이터를 생성합니다. 현재의 정보 시스템은 이미 압박을 받고 있으며 데이터 병목 현상으로 인해 기술 발전이 둔화될 위험이 있습니다.

제안된 해결책 중 하나는 정보를 전달하기 위해 전자 스핀, 더 나아가 함께 움직이는 많은 스핀의 파동을 사용하는 것입니다. 이러한 집단적 스핀 진동을 마그논이라고 합니다. 이는 파동처럼 행동하고 레이저로 조작할 수 있어 잠재적으로 테라헤르츠 주파수에서 데이터 전송 및 저장이 가능합니다.

그러나 지금까지 과학자들은 빛을 사용하여 가장 낮은 주파수에서만 마그논을 자극할 수 있었기 때문에 잠재력이 제한되었습니다. 미래 기술에 마그논을 활용하려면 연구자는 마그논의 주파수, 진폭 및 수명을 조정할 수 있어야 합니다. Konstanz 팀은 이제 정확히 이를 수행할 수 있는 방법을 찾았습니다. 물질의 최고 주파수 자기 공명인 마그논 쌍을 직접 자극함으로써 그들은 강력하고 새로운 형태의 제어를 발견했습니다.

엄청난 놀라움

Davide Bossini는 “이 결과는 우리에게 매우 놀라운 일이었습니다. 어떤 이론도 이를 예측한 적이 없습니다.”라고 말했습니다. 프로세스가 작동할 뿐만 아니라 놀라운 효과도 있습니다. 레이저 펄스를 통해 고주파수 마그논 쌍을 구동함으로써 물리학자들은 비열적 방식으로 다른 마그논의 주파수와 진폭, 즉 재료의 자기 특성을 변경하는 데 성공했습니다. “모든 고체에는 전자 전이, 격자 진동, 자기 여기 등 고유한 주파수 세트가 있습니다. 모든 재료는 고유한 방식으로 공명합니다.”라고 Bossini는 설명합니다. 새로운 프로세스를 통해 영향을 받을 수 있는 것은 바로 이 주파수 집합입니다. “이것은 물질의 성질, 즉 물질의 ‘자기 DNA’, 즉 ‘지문’을 변화시킵니다. 당분간은 사실상 새로운 특성을 지닌 다른 물질이 되었습니다.”라고 Bossini는 말합니다.

“이 효과는 레이저 여기로 인한 것이 아닙니다. 원인은 온도가 아니라 빛입니다.”라고 Bossini는 확인합니다. “우리는 비열적 방식으로 재료의 주파수와 특성을 변경할 수 있습니다.” 장점은 분명합니다. 이 방법은 열 축적으로 인해 시스템이 느려지지 않고 미래의 데이터 저장과 테라헤르츠 속도의 빠른 데이터 전송에 사용될 수 있습니다.

이 공정의 기초로 뛰어난 첨단 기술 재료나 희토류가 필요하지 않으며 오히려 자연적으로 성장한 결정, 즉 철광석 적철광이 필요합니다. “헤마타이트(Haematite)는 널리 퍼져 있습니다. 수세기 전에 이미 항해용 나침반으로 사용되었습니다”라고 Bossini는 설명합니다. 이제 적철석이 미래의 양자 연구에도 사용될 가능성은 충분히 있습니다. Konstanz 팀의 결과는 새로운 방법을 사용하여 연구원들이 실온에서 빛에 의해 유도된 고에너지 마그논의 보스-아인슈타인 응축물을 생성할 수 있음을 시사합니다. 이는 광범위한 냉각 없이도 양자 효과를 연구할 수 있는 길을 열어줄 것입니다. 마술처럼 들리지만 이는 단지 기술과 최첨단 연구일 뿐입니다.

이 프로젝트는 공동 연구 센터 SFB 1432 “균형을 넘어서는 고전 및 양자 물질의 변동 및 비선형성”의 맥락에서 수행되었습니다.

2023년에 천문학자들은 극적인 사건을 목격했습니다. 두 개의 엄청나게 거대한 블랙홀이 약 70억 광년 떨어진 곳에서 충돌했습니다. 그들의 엄청난 크기와 빠른 회전은 설명을 거부했습니다. 기존 이론에 따르면, 이러한 블랙홀은 단순히 존재해서는 안 됩니다.

Flatiron Institute의 전산 천체 물리학 센터(CCA)와 파트너 기관의 연구원들은 이제 그러한 우주 거인들이 어떻게 형성되고 결국 충돌할 수 있는지 밝혀냈습니다. 이러한 블랙홀을 생성한 별의 수명주기를 추적함으로써 팀은 이전 모델에서는 오랫동안 간과되었던 자기장이 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다.

“아무도 우리가 했던 방식으로 이러한 시스템을 고려하지 않았습니다. 이전에는 천문학자들이 지름길을 선택하고 자기장을 무시했습니다.”라고 CCA의 천체 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Ore Gottlieb는 설명합니다. 천체 물리학 저널 편지. “그러나 일단 자기장을 고려하면 실제로 이 독특한 사건의 기원을 설명할 수 있습니다.”

블랙홀 이론에 도전한 2023년 충돌

현재 GW231123으로 알려진 우주 충돌은 중력파(거대한 천체 운동에 의해 생성되는 시공간 파동)를 측정하는 LIGO-Virgo-KAGRA 관측소에 의해 감지되었습니다.

발견 당시 천문학자들은 어떻게 그렇게 거대하고 빠르게 회전하는 블랙홀이 형성되었는지 이해할 수 없었습니다. 거대한 별이 연료를 모두 소모하면 일반적으로 초신성으로 붕괴 및 폭발하여 더 작은 블랙홀을 남깁니다. 그러나 특정 질량 범위 내의 별은 별을 완전히 파괴하는 쌍불안정성 초신성이라는 특히 폭력적인 유형의 폭발을 경험합니다.

“이러한 초신성의 결과로 우리는 블랙홀이 대략 태양 질량의 70~140배 사이에 형성될 것으로 예상하지 않습니다”라고 Gottlieb은 말합니다. “그래서 이 틈 안에 질량이 있는 블랙홀을 보는 것은 당혹스러웠습니다.”

시뮬레이션을 통해 직장에 숨겨진 힘이 드러난다

한 가지 가능한 설명은 이 “질량 격차” 내의 블랙홀이 더 작은 블랙홀의 합병을 통해 간접적으로 형성된다는 것입니다. 그러나 GW231123의 경우에는 그럴 것 같지 않았습니다. 합병은 일반적으로 혼란스럽고 결과적으로 생성되는 블랙홀의 회전을 방해합니다. 그러나 GW231123에 관련된 두 개의 블랙홀은 빛의 속도에 가까운 회전을 하고 있었습니다. 이는 지금까지 관측된 것 중 가장 빠른 속도로, 그러한 시나리오는 불가능합니다.

수수께끼를 풀기 위해 Gottlieb과 그의 팀은 2단계 시뮬레이션을 수행했습니다. 첫째, 그들은 태양 질량의 250배에 달하는 거대한 별의 삶과 죽음을 모델로 삼았습니다. 초신성으로 폭발할 때까지 이 별은 이론적인 질량 격차 바로 위인 약 150 태양질량으로 줄어들 만큼 충분한 연료를 태워 블랙홀을 남겼습니다.

다음 단계에서는 그림에 자기장이 도입되었습니다. 이 모델은 초신성의 잔재, 즉 자기장을 포함하는 소용돌이치는 별 잔해 구름과 중심에 새로 태어난 블랙홀에서 시작되었습니다. 이전 이론에서는 남은 모든 물질이 블랙홀에 떨어질 것이라고 가정했지만 새로운 시뮬레이션에서는 다른 그림이 그려졌습니다.

자기가 붕괴하는 별의 운명을 바꾸는 방법

붕괴하는 별이 회전하지 않으면 주변 물질은 블랙홀로 곧장 떨어집니다. 그러나 별이 빠르게 회전하면 그 물질은 블랙홀 주위에 디스크를 형성하여 시간이 지남에 따라 블랙홀에 영양을 공급하고 회전을 증가시킵니다. 그러나 자기장은 이 과정을 방해합니다. 그들의 압력은 물질의 일부를 거의 빛의 속도로 바깥쪽으로 폭발시켜 물질이 떨어지는 것을 방지할 수 있습니다.

이러한 물질 방출은 블랙홀이 흡수하는 물질의 양을 감소시킵니다. 자기장이 강할수록 더 많은 질량이 방출됩니다. 극단적인 경우에는 이러한 유출로 인해 원래 별 질량의 최대 절반이 손실될 수 있습니다. 팀의 시뮬레이션에서 이 메커니즘은 한때 “금지된” 범위 내에 질량이 떨어지는 블랙홀을 자연스럽게 생성했습니다.

“우리는 회전과 자기장의 존재가 별의 붕괴 후 진화를 근본적으로 변화시켜 블랙홀 질량을 잠재적으로 붕괴하는 별의 전체 질량보다 훨씬 낮게 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 Gottlieb은 말합니다.

블랙홀 질량과 회전의 연결

결과는 블랙홀의 질량과 회전 속도 사이의 흥미로운 관계를 지적합니다. 자기장이 강할수록 블랙홀의 회전 속도가 느려지고 더 많은 별 질량이 제거되어 더 작고 느린 블랙홀이 생성될 수 있습니다. 반면에 약한 장에서는 더 무겁고 빠르게 회전하는 장을 형성할 수 있습니다. 이 패턴은 질량과 스핀을 연결하는 더 넓은 법칙을 밝힐 수 있으며, 이는 미래의 관찰을 통해 확인될 수 있습니다.

현재 알려진 다른 블랙홀 시스템은 이 연결을 테스트할 수 없지만 천문학자들은 향후 탐지를 통해 GW231123과 같은 더 많은 사례가 발견되기를 바라고 있습니다.

가장 어두운 사건으로부터의 빛의 폭발

시뮬레이션은 또한 이러한 자기 과정이 블랙홀 형성 중에 감마선 폭발을 생성한다고 예측합니다. 이러한 감마선 섬광을 감지하면 이론을 확인하고 이러한 거대한 블랙홀이 실제로 얼마나 흔한지 보여주는 데 도움이 될 수 있습니다.

만약 검증된다면, 이러한 발견은 “불가능한” 충돌을 설명할 뿐만 아니라 과학자들이 우주의 가장 극단적이고 매혹적인 물체 중 하나를 이해하는 방식을 바꿀 것입니다.

생물학적 나노기공은 생명공학에 혁명을 일으켰지만 복잡하고 때로는 불규칙한 방식으로 작동할 수 있습니다. 연구자들은 이온이 어떻게 이온을 통해 이동하는지, 이온 흐름이 가끔 완전히 멈추는 이유에 대한 완전한 이해가 여전히 부족합니다.

특히 수수께끼 같은 두 가지 행동은 오랫동안 과학자들의 흥미를 끌었습니다. 바로 정류(Rectification)와 게이팅(Gating)입니다. 적용된 전압의 “부호”(플러스 또는 마이너스 – 플러스 또는 마이너스)에 따라 이온의 흐름이 변경될 때 정류가 발생합니다. 게이팅은 이온 흐름이 갑자기 감소하거나 멈출 때 발생합니다. 이러한 효과, 특히 게이팅은 나노기공 기반 감지를 방해할 수 있으며 설명하기 어려운 상태로 남아 있습니다.

EPFL의 Matteo Dal Peraro와 Aleksandra Radenovic이 이끄는 연구팀은 이제 이 두 가지 효과 뒤에 숨은 물리적 메커니즘을 확인했습니다. 실험, 시뮬레이션 및 이론적 모델링을 결합하여 정류와 게이팅이 모두 나노기공의 자체 전하와 이러한 전하가 기공을 통해 이동하는 이온과 상호 작용하는 방식에서 발생한다는 것을 발견했습니다.

전하 실험

연구팀은 감지 연구에 일반적으로 사용되는 박테리아 기공인 에어로리신을 연구했습니다. 그들은 내부에 늘어선 전하를 띤 아미노산을 변형하여 각각 뚜렷한 전하 패턴을 가진 26개의 나노 기공 변형을 만들었습니다. 다양한 조건에서 이온이 변형된 기공을 통해 어떻게 이동하는지 관찰함으로써 주요 전기적 및 구조적 요인을 분리할 수 있었습니다.

이러한 효과가 시간이 지남에 따라 어떻게 전개되는지 더 잘 이해하기 위해 과학자들은 교류 전압 신호를 나노 기공에 적용했습니다. 이 접근 방식을 통해 그들은 빠르게 발생하는 정류와 더 느리게 발생하는 게이팅을 구별할 수 있었습니다. 그런 다음 그들은 데이터를 해석하고 작동 메커니즘을 밝히기 위해 생물물리학적 모델을 구축했습니다.

나노기공이 뇌처럼 학습하는 방법

연구자들은 내부 표면의 전하가 이온 이동에 어떻게 영향을 미치고 일방향 밸브와 유사하게 이온이 다른 방향보다 한 방향으로 더 쉽게 흐르게 하기 때문에 정류가 발생한다는 것을 발견했습니다. 이와 대조적으로 게이팅은 무거운 이온 흐름이 전하 균형을 방해하고 기공 구조를 불안정하게 만들 때 발생합니다. 이 일시적인 붕괴는 시스템이 재설정될 때까지 이온 통과를 차단합니다.

두 효과 모두 나노기공 내 전하의 정확한 위치와 유형에 따라 달라집니다. 혐의 “표시”를 반대로 함으로써 팀은 게이팅이 발생하는 시기와 방법을 제어할 수 있었습니다. 기공의 강성을 높이면 게이팅이 완전히 중단되어 구조적 유연성이 이 현상의 핵심임을 확인했습니다.

더 스마트한 나노기공을 향하여

이러한 발견은 맞춤형 특성을 지닌 생물학적 나노기공 엔지니어링에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 이제 과학자들은 나노 기공 감지 응용 분야에서 원치 않는 게이팅을 최소화하거나 생체 영감 컴퓨팅을 위해 의도적으로 게이팅을 사용하는 기공을 설계할 수 있습니다. 한 시연에서 팀은 신경 시냅스와 매우 유사하게 전압 펄스로부터 “학습”하여 시냅스 가소성을 모방하는 나노기공을 만들었습니다. 이 발견은 미래의 이온 기반 프로세서가 언젠가 이러한 분자적 “학습”을 활용하여 새로운 형태의 컴퓨팅을 강화할 수 있음을 시사합니다.

2024년 2월 25일 XRISM은 Resolve 장비를 사용하여 한때 더 큰 별의 작은 잔해인 중성자별 GX13+1을 관찰했습니다. GX13+1은 과열된 물질로 이루어진 강착원반이 안쪽으로 나선을 그리며 별 표면을 때리는 X선에서 밝게 빛납니다.

이러한 내부 흐름은 주변 공간을 변경하는 강력한 유출을 일으킬 수도 있습니다. 이러한 유출이 어떻게 발생하는지 아직 조사 중이므로 팀이 GX13+1을 목표로 삼았습니다.

Resolve는 개별 X선 광자의 에너지를 정확하게 측정할 수 있으므로 과학자들은 이전에 캡처된 적이 없는 세밀한 세부 사항을 볼 수 있을 것으로 예상했습니다.

ESA XRISM 프로젝트 과학자인 Matteo Guainazzi는 “데이터의 풍부한 세부정보를 처음 봤을 때 판도를 바꾸는 결과를 목격하고 있다고 느꼈습니다.”라고 말했습니다. “우리 중 많은 사람들에게 그것은 수십 년 동안 쫓아온 꿈의 실현이었습니다.”

우주 바람이 중요한 이유

이 바람은 단순한 호기심이 아닙니다. 그들은 우주에 대규모 변화를 주도합니다.

은하 중심에 초대질량 블랙홀이 있는 성계에서도 비슷한 바람이 분다. 그들은 거대한 분자 구름을 압축하여 별 탄생이나 열을 유발하고 그 구름을 분산시켜 별 형성을 중단시킬 수 있습니다. 천문학자들은 이러한 밀고 당기기를 피드백이라고 부르며, 극단적인 경우 중앙 블랙홀에서 나오는 바람이 전체 은하계의 성장을 조절할 수 있습니다.

초대질량 블랙홀 주변의 과정은 GX13+1 근처의 과정을 반영할 수 있기 때문에 팀은 기본 물리학을 더 선명하게 드러낼 수 있는 더 가깝고 밝은 목표로 이 중성자별 시스템을 선택했습니다.

Eddington 한계에 대한 적시 급증

계획된 관측 직전에 GX13+1은 예상외로 밝아졌고 에딩턴 한계에 도달하거나 심지어 초과했습니다.

이 한계는 물질이 블랙홀이나 중성자별과 같은 소형 물체에 떨어질 때 어떤 일이 발생하는지 설명합니다. 물질이 더 많이 유입되면 더 많은 에너지가 방출됩니다. 에너지 출력이 증가함에 따라 방사선은 들어오는 물질에 압력을 가하여 물질을 바깥쪽으로 밀어냅니다. 에딩턴 한계에서 생성되는 고에너지 빛은 유입되는 거의 모든 물질을 바람의 형태로 우주로 다시 몰아낼 수 있습니다.

Resolve는 이 극적인 단계에서 GX13+1을 녹음했습니다.

이번 연구의 수석 연구원인 영국 더럼 대학의 크리스 돈(Chris Done)은 “만약 우리가 시도했다면 이 일을 계획할 수 없었을 것입니다.”라고 말했습니다. “시스템은 최대 복사 출력의 약 절반에서 훨씬 더 강력한 출력으로 바뀌어 이전에 본 것보다 더 강한 바람을 생성했습니다.”

느리고 촘촘한 바람은 예상을 뒤엎는다

강한 폭발에도 불구하고 풍속은 시속 100만km 가까이 유지됐다. 이는 지구에서는 빠르지만, 유출이 광속의 20~30%, 2억km/h 이상에 도달할 수 있는 초대질량 블랙홀 주변의 에딩턴 한계 근처의 바람과 비교할 때 느립니다.

Chris는 “이 바람이 얼마나 ‘느린’지, 얼마나 두꺼운지 아직도 놀랍습니다. 마치 우리를 향해 굴러가는 안개 더미를 통해 태양을 보는 것과 같습니다. 안개가 두꺼워지면 모든 것이 어두워집니다.”라고 Chris는 말합니다.

중성자별 vs 블랙홀 바람

대조는 이뿐만이 아니었습니다. 에딩턴 한계의 초거대 블랙홀에 대한 이전 XRISM 관측에서는 초고속의 덩어리진 바람이 나타났습니다. 이에 비해 GX13+1의 유출은 느리고 원활하게 나타난다.

“바람은 완전히 달랐지만 에딩턴 한계 측면에서 거의 동일한 시스템에서 나왔습니다. 그렇다면 이 바람이 실제로 복사압에 의해 구동된다면 왜 다른가요?” 크리스가 묻습니다.

핵심은 부착 디스크 온도

연구팀은 그 답이 중심 물체 주변의 강착 원반의 온도에 있다고 제안합니다. 직관과는 반대로, 초대질량 블랙홀 주변의 원반은 중성자별이나 블랙홀이 있는 항성질량계의 원반보다 온도가 더 낮은 경향이 있습니다.

초대질량 블랙홀 주변의 디스크는 훨씬 더 큽니다. 그들은 매우 밝을 수 있지만 그 힘은 넓은 지역에 걸쳐 분산되어 있기 때문에 그들이 방출하는 일반적인 방사선은 자외선에서 최고조에 이릅니다. 항성질량계는 X선을 더 강하게 방출합니다.

자외선은 X선보다 더 쉽게 물질과 상호작용합니다. Chris와 동료들은 이러한 차이로 인해 자외선 복사가 물질을 더 효율적으로 밀어내고 초대질량 블랙홀 근처에서 볼 수 있는 훨씬 더 빠른 바람을 생성할 수 있다고 제안합니다.

은하 진화에 있어서 이것이 무엇을 의미하는가

이 설명이 유효하다면 극한 환경에서 에너지와 물질의 교환에 대해 과학자들이 생각하는 방식이 개선될 것입니다. 또한 이러한 과정이 은하의 성장과 우주의 더 넓은 진화에 어떻게 영향을 미치는지 명확히 할 수 있습니다.

ESA 연구원인 Camille Diez는 “XRISM의 전례 없는 해상도를 통해 이러한 물체를 훨씬 더 자세히 조사할 수 있어 NewAthena와 같은 차세대 고해상도 X선 망원경의 기반이 마련되었습니다.”라고 말했습니다.

XRISM 사명 개요

XRISM(크리즈엠으로 발음)은 2023년 9월 7일에 발사되었습니다. 이 임무는 NASA 및 ESA와 협력하여 JAXA(일본 항공우주 탐사국)가 주도합니다. 이 비행기는 개별 X선 광자의 에너지를 측정하여 전례 없는 수준의 에너지 분해능(X선 ‘색상’을 구별하는 장비의 기능)을 제공하는 X선 열량계인 Resolve와 주변 지역을 이미지화하는 광시야 X선 CCD 카메라인 Xtend라는 두 가지 장비로 비행합니다.

UBC Okanagan의 Irving K. Barber 과학 학부 겸임 교수인 Mir Faizal 박사와 그의 협력자인 Drs. Lawrence M. Krauss, Arshid Shabir 및 Francesco Marino는 현실의 기본 구조가 어떤 컴퓨터도 복제할 수 없는 방식으로 작동한다는 것을 보여주었습니다.

그들의 연구는 물리학에서의 홀로그래피 응용 저널다음과 같은 시뮬레이션된 우주에 대한 아이디어에 대해 이의를 제기하는 것이 아닙니다. 매트릭스. 더 나아가 우주 자체가 어떤 알고리즘의 범위 밖에 있는 일종의 이해를 바탕으로 구축되었음을 보여줍니다.

시뮬레이션 가설과 수학의 만남

“우주를 시뮬레이션할 수 있다는 제안이 있었습니다. 그러한 시뮬레이션이 가능하다면 시뮬레이션된 우주 자체가 생명을 생성할 수 있으며, 이는 다시 자체 시뮬레이션을 만들 수도 있습니다. 이러한 반복적 가능성으로 인해 우리 우주가 다른 시뮬레이션 내에 중첩된 시뮬레이션이 아니라 원래 우주일 가능성이 거의 없어 보입니다.”라고 Faizal 박사는 말합니다. “이 아이디어는 한때 과학적 탐구의 범위를 넘어서는 것으로 생각되었습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 실제로 과학적으로 해결될 수 있음이 입증되었습니다.”

팀의 발견은 현실이 진정 무엇인지에 대한 진화하는 이해에 달려 있습니다. 물리학은 공간을 통해 움직이는 고체 물체에 대한 아이작 뉴턴의 관점을 훨씬 뛰어 넘었습니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 고전 모델을 대체했고, 양자역학은 이를 다시 한번 변형시켰습니다. 이제 이론 물리학의 최전선에서 양자 중력은 공간과 시간조차 기본 요소가 아니라고 제안합니다. 대신에, 그것들은 더 깊은 것, 즉 순수한 정보로부터 발생합니다.

현실 아래 숨겨진 영역

물리학자들은 이 정보 계층을 우리가 인식하는 물리적 세계보다 더 실제적인 수학적 기초인 “플라톤 영역”으로 설명합니다. 새로운 연구에 따르면, 공간과 시간 자체가 나타나는 것은 바로 이 영역에서 비롯됩니다.

그러나 과학자들은 이러한 정보 기반 구조조차도 계산만으로는 현실을 완전히 설명할 수 없음을 입증했습니다. 그들은 괴델의 불완전성 정리를 포함한 고급 수학적 원리를 적용함으로써 일관되고 완전한 존재 모델에는 소위 “비알고리즘적 이해”가 필요하다는 것을 증명했습니다.

이 아이디어를 이해하려면 컴퓨터가 어떻게 작동하는지 상상해 보세요. 컴퓨터는 정의된 지침을 단계별로 따릅니다. 그러나 일련의 논리적 연산을 수행해도 도달할 수 없는 일부 진실이 존재합니다. 이것은 “괴델의 진리”로 알려져 있으며, 이는 실제이지만 계산을 사용하여 증명할 수는 없습니다.

계산이 실패하는 경우

“이 참 진술은 증명할 수 없습니다.”라는 진술을 고려하십시오. 만약 그것이 증명 가능하다면 그것은 거짓이고 모순되는 논리일 것입니다. 증명할 수 없으면 참입니다. 즉, 이를 증명하려는 논리 시스템이 불완전하다는 의미입니다. 두 경우 모두 계산만으로는 부족합니다.

“우리는 양자 중력의 계산 이론을 사용하여 물리적 현실의 모든 측면을 설명하는 것이 불가능하다는 것을 입증했습니다.”라고 Faizal 박사는 말합니다. “따라서 모든 것에 대한 물리적으로 완전하고 일관된 이론은 계산만으로는 파생될 수 없습니다. 오히려 비알고리즘적 이해가 필요합니다. 이는 양자 중력의 계산 법칙보다 더 근본적이며 따라서 시공간 자체보다 더 근본적인 것입니다.”

우주를 시뮬레이션할 수 없는 이유

플라톤 영역의 기본 규칙이 컴퓨터 시뮬레이션을 지배하는 규칙과 유사해 보인다면 해당 영역 자체를 시뮬레이션할 수 있습니까? 연구원들에 따르면 대답은 ‘아니요’입니다.

“불완전성 및 정의 불가능성과 관련된 수학적 정리를 활용하여 우리는 계산만으로는 현실에 대한 완전히 일관되고 완전한 설명을 얻을 수 없음을 보여줍니다”라고 Faizal 박사는 설명합니다. “그것은 정의상 알고리즘 계산을 넘어서서 시뮬레이션할 수 없는 비알고리즘적 이해가 필요합니다. 따라서 이 우주는 시뮬레이션이 될 수 없습니다.”

공동 저자인 로렌스 M. 크라우스(Lawrence M. Krauss) 박사는 이 발견의 의미가 물리학의 기초까지 깊숙이 확장된다고 지적합니다. “물리의 기본 법칙은 공간과 시간을 생성하기 때문에 공간과 시간 내에 포함될 수 없습니다. 그러나 모든 것에 대한 진정한 기본 이론은 궁극적으로 이러한 법칙에 기초한 계산을 통해 모든 물리적 현상을 설명할 수 있기를 오랫동안 희망해 왔습니다. 그러나 우리는 이것이 불가능하다는 것을 입증했습니다. 현실을 완전하고 일관되게 설명하려면 더 깊은 것, 즉 비알고리듬 이해라고 알려진 이해 형태가 필요합니다.”

알고리즘 너머의 현실

Faizal 박사는 다음과 같이 요약했습니다. “모든 시뮬레이션은 본질적으로 알고리즘적입니다. 프로그래밍된 규칙을 따라야 합니다. 그러나 현실의 기본 수준은 비알고리즘적 이해를 기반으로 하기 때문에 우주는 시뮬레이션이 될 수도 없고, 결코 시뮬레이션이 될 수도 없습니다.”

수년 동안 시뮬레이션 가설은 검증할 수 없는 것으로 간주되어 철학과 사변적 허구의 영역에 국한되었습니다. 그러나 이 새로운 연구는 수학적, 물리학적 이론에 확고히 기반을 두고 있으며, 과학의 가장 흥미로운 질문 중 하나에 대한 최종적이고 결정적인 답을 제공합니다.

슈투트가르트 대학 제4물리연구소 소장인 Harald Giessen 교수는 “우리의 새로운 시스템을 통해 이전에는 거의 달성할 수 없었던 효율성 수준을 달성할 수 있습니다.”라고 말합니다. 테스트에서 팀은 단펄스 레이저가 근본적으로 80%의 효율에 도달할 수 있음을 보여주었습니다. 실질적으로 입력 전력의 80%가 사용 가능한 출력이 됩니다. “비교를 위해: 현재 기술은 약 35%만 달성합니다. 즉, 효율성이 많이 떨어지고 그에 따라 비용이 많이 든다는 의미입니다.”라고 Giessen은 설명합니다.

아주 짧은 시간에 많은 에너지를

단펄스 레이저는 나노초, 피코초, 펨토초(즉, 수십억분의 1초에서 수조분의 1초) 동안만 지속되는 폭발을 방출합니다. 펄스가 너무 짧기 때문에 많은 양의 에너지가 거의 즉시 작은 지점에 전달될 수 있습니다. 이 설정은 펌프 레이저와 단 펄스 레이저를 결합합니다. 펌프 레이저는 특수 결정에 빛 에너지를 전달합니다. 이 결정은 펌프 빔의 에너지를 초단거리 신호 펄스로 전달하여 프로세스를 구동합니다. 이를 통해 들어오는 빛 입자는 적외선으로 변환됩니다. 적외선은 가시광선으로는 달성할 수 없는 실험, 측정 또는 생산 단계를 가능하게 합니다. 산업계에서는 정밀하고 부드러운 재료 가공 등의 생산 과정에서 단파 레이저가 사용됩니다. 또한 분자 규모에서 매우 정확한 측정을 위해 의료 영상 및 양자 연구에도 사용됩니다.

“단 펄스 레이저를 효율적으로 설계하는 것은 아직 해결되지 않은 과제로 남아 있습니다.”라고 해당 연구의 주저자인 Tobias Steinle 박사는 설명합니다. “짧은 펄스를 생성하려면 들어오는 광선을 증폭하고 광범위한 파장을 포괄해야 합니다.” 지금까지는 작고 컴팩트한 광학 시스템에서 두 가지 특성을 동시에 결합하는 것이 불가능했습니다.” 광대역 레이저 증폭기에는 일반적으로 매우 짧고 얇은 결정이 필요합니다. 이와 대조적으로 고효율 증폭기는 훨씬 더 긴 결정을 선호합니다. 한 가지 해결 방법은 여러 개의 짧은 결정을 직렬로 연결하는 것인데, 이 접근 방식은 이미 연구에서 탐색된 접근 방식입니다. 선택이 무엇이든 펌프와 신호 펄스 사이의 타이밍은 동기화된 상태를 유지해야 합니다.

새로운 멀티패스 개념

팀은 멀티패스 전략을 통해 이러한 절충안을 해결합니다. 하나의 긴 크리스털에 의존하거나 짧은 크리스털을 여러 개 쌓는 대신 광학 파라메트릭 증폭기 내부의 단일 짧은 크리스털을 통해 빛을 반복적으로 통과시킵니다. 각 통과 후 분리된 펄스는 동기화를 유지하기 위해 신중하게 다시 정렬됩니다. 그 결과 50펨토초보다 짧은 펄스를 생성하고, 몇 제곱센티미터만 차지하며, 단 5개의 구성 요소만 사용하는 시스템이 탄생했습니다.

“우리의 멀티패스 시스템은 대역폭을 희생하면서 극도로 높은 효율성을 얻을 필요가 없다는 것을 보여줍니다.”라고 Steinle은 설명합니다. “이전에는 초단 펄스를 증폭하는 데 필요했던 높은 전력 손실로 크고 값비싼 레이저 시스템을 대체할 수 있습니다.” 이 디자인은 적외선 이외의 파장에 맞게 조정될 수도 있으며 다양한 결정 및 펄스 지속 시간에 맞게 조정될 수도 있습니다. 이 개념을 바탕으로 연구원들은 파장을 정밀하게 설정할 수 있는 작고, 가볍고, 컴팩트하고, 휴대 가능하며 조정 가능한 레이저를 만드는 것을 목표로 합니다. 가능한 사용 사례에는 의학, 분석 기술, 가스 감지 및 환경 모니터링이 포함됩니다.

재정 지원은 KMU-Innovativ 프로그램, 연방 경제 에너지부(BMWE), 바덴-뷔르템베르크 과학 연구 예술부, 독일 연구 재단(DFG), 칼 자이스 재단, 바덴-뷔르템베르크 재단, 통합 양자 과학 기술 센터(IQST), 미래 혁신 캠퍼스 이동성(ICM)을 통해 연방 연구 기술 우주부(BMFTR)에서 이루어졌습니다. 이 작업은 MIRESWEEP 프로젝트(분석 응용 분야를 위한 새롭고 비용 효율적인 조정 가능한 중적외선 레이저 소스)에 따라 Stuttgart Instruments GmbH와 협력하여 슈투트가르트 대학의 제4 물리학 연구소에서 수행되었습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 대학교 천문학 및 천체물리학 교수인 Adam Burgasser가 이끄는 연구팀은 이제 Wolf 1130C로 알려진 차가운 고대 갈색 왜성 대기에서 포스핀을 발견했습니다. 그들의 연구 결과는 최근에 출판되었습니다. 과학.

팀은 이러한 희미하고 온도가 낮은 물체를 자세히 분석할 수 있을 만큼 강력한 최초의 장비인 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 발견했습니다. 그러나 놀라운 점은 포스핀이 발견되었다는 사실이 아니라 과학자들이 예상했던 다른 갈색 왜성과 가스 거대 외계 행성에서는 포스핀이 발견되지 않은 것으로 보인다는 것입니다.

고대 별의 화학 조사

Burgasser는 “고대인의 신비라고 불리는 우리의 천문학 프로그램은 대기 화학에 대한 우리의 이해를 테스트하는 수단으로 오래되고 금속이 부족한 갈색왜성에 초점을 맞추고 있습니다.”라고 말했습니다. “포스핀 문제를 이해하는 것이 우리의 첫 번째 목표 중 하나였습니다.”

정상적인 조건에서 포스핀은 목성과 토성과 같은 거대 가스 행성의 수소가 풍부한 대기에서 자연적으로 형성됩니다. 이 때문에 연구자들은 갈색 왜성을 포함한 다른 별 주변의 유사한 환경에도 이 별이 존재할 것이라고 오랫동안 가정해 왔습니다. 이 별은 실제 별처럼 수소를 융합하기에는 너무 작기 때문에 때때로 “실패한 별”이라고도 불립니다.

그러나 이전 JWST 관찰에서는 포스핀을 포착하기 어려웠으며, 이는 인 화학에 대한 우리의 이해에 뭔가가 빠져 있을 수 있음을 암시합니다. “JWST 이전에는 포스핀이 외계 행성과 갈색 왜성 대기에 풍부할 것으로 예상되었습니다. 이는 우리가 알고 있는 난류 혼합에 기초한 이론적 예측에 따른 것입니다.”라고 최근 톨레도 대학에서 박사 학위를 취득한 더블린 트리니티 칼리지의 박사후 연구원인 공동 저자 샘 베일러(Sam Beiler)는 설명했습니다.

바로 이 부재를 조사하는 초기 연구를 이끌었던 Beiler는 “JWST로 얻은 모든 관측은 Wolf 1130C를 관측하기 전까지는 이론적 예측에 도전했습니다.”라고 덧붙였습니다.

늑대의 특이한 시스템 1130ABC

Wolf 1130C는 백조자리 방향으로 54광년 떨어진 복잡한 3성계의 일부입니다. 갈색 왜성은 차가운 붉은 별(Wolf 1130A)과 밀도가 높은 백색 왜성(Wolf 1130B)으로 구성된 가까운 쌍성 궤도를 돌고 있습니다. 천문학자들은 울프 1130C가 태양보다 훨씬 적은 “금속”(수소와 헬륨보다 무거운 원소)을 함유하고 있어 원시 우주 화학을 연구하는 데 귀중한 실험실을 제공하기 때문에 오랫동안 이 시스템에 관심을 가져왔습니다.

이전 갈색 왜성 관측과 달리 JWST 데이터는 Wolf 1130C 대기의 인산염에서 강한 적외선 신호를 나타냅니다. 가스가 얼마나 많이 존재하는지 이해하기 위해 팀은 대기 모델링을 전문으로 하는 샌프란시스코 주립 대학의 Eileen Gonzales 조교수에게 도움을 요청했습니다.

“Wolf 1130C의 분자 존재비를 결정하기 위해 대기 검색이라는 모델링 기술을 사용했습니다.”라고 Gonzales는 말했습니다. “이 기술은 JWST 데이터를 사용하여 각 분자 가스 종의 양이 대기 중에 얼마나 있어야 하는지를 알아냅니다. 이는 요리사가 레시피를 포기하지 않을 때 정말 맛있는 쿠키를 리버스 엔지니어링하는 것과 같습니다.”

그녀의 분석을 통해 포스핀이 예상된 양(약 100ppb)으로 존재한다는 사실이 확인되었습니다.

왜 갈색 왜성은 다른 것은 아니고 이 갈색 왜성인가?

이 발견은 새로운 질문을 제기합니다. 왜 이 특별한 갈색 왜성은 포스핀을 함유하고 있지만 다른 왜성은 그렇지 않습니까? 한 가지 가능성은 물체의 특이한 화학적 구성과 관련이 있습니다. 정상적인 조건에서 인은 삼산화인과 같은 다른 분자에 결합되어 있을 수 있다고 Beiler는 설명했습니다. “Wolf 1130C의 금속 고갈 대기에는 인을 흡수할 산소가 충분하지 않아 풍부한 수소로부터 포스핀이 형성될 수 있습니다.”

연구팀은 금속이 부족한 갈색 왜성에 대한 향후 JWST 관측을 통해 이 아이디어를 테스트하여 동일한 패턴이 나타나는지 확인할 계획입니다.

죽어가는 별의 단서

또 다른 가설은 인이 Wolf 1130ABC 시스템 내에서 특히 백색왜성인 Wolf 1130B에 의해 국부적으로 생성되었을 수 있다는 것입니다. “백색 왜성은 수소 융합을 마친 별의 남은 껍질입니다.”라고 Burgasser는 말했습니다. “그들은 밀도가 너무 높아서 표면에 물질을 부착할 때 폭주 핵반응을 겪을 수 있으며, 이를 신성으로 감지합니다.”

비록 천문학자들이 최근 역사에서 이 시스템에서 신성 사건을 관찰한 적은 없지만, 그러한 폭발은 종종 수천 년마다 반복됩니다. Wolf 1130ABC는 약 100년 동안만 알려져 있었기 때문에 초기 폭발은 눈에 띄지 않게 진행되어 주변 공간에 인의 흔적을 남겼을 수 있습니다. 이전 연구에서는 은하수의 인 원자 중 상당수가 이러한 항성 폭발에서 유래했을 수 있다고 제안했습니다.

우주에서 인의 기원을 밝히다

Wolf 1130C에 포스핀에 대한 명확한 증거가 포함된 이유를 이해하면 은하계에서 인이 어떻게 형성되고 행성 대기에서 어떻게 작용하는지에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 부르가서(Burgasser)는 이렇게 설명했습니다. “태양계 너머 지구 세계에서 생명체를 찾는 데 이 분자를 사용하려면 생명체가 있을 것으로 예상되지 않는 갈색 왜성 대기의 포스핀 화학을 이해하는 것이 매우 중요합니다.”

이 작업은 NASA/STScI(NAS 5-03127 및 AR-2232) 및 Heising-Simons 재단의 지원을 받았습니다.

옥스퍼드 대학, 사우스웨스트 연구소, 애리조나 주 투산에 있는 행성 과학 연구소의 과학자들로 구성된 팀이 엔셀라두스의 북극에서 상당한 열 흐름의 첫 번째 증거를 발견했습니다. 지금까지 과학자들은 열 손실이 간헐천이 수증기와 얼음 입자를 우주로 발사하는 남극에만 국한되어 있다고 믿었습니다. 새로운 측정은 엔셀라두스가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 열적으로 활동적이라는 것을 확인시켜 주며, 이는 엔셀라두스가 휴면 중인 얼어붙은 달보다 훨씬 더 많은 열을 생성하고 방출한다는 것을 나타냅니다.

얼음 아래 숨겨진 바다

엔셀라두스는 얼음 표면 아래에 전 세계적으로 염분이 많은 바다가 숨겨져 있는 지질학적으로 활동적인 세계입니다. 과학자들은 이 바다가 달 내부 열의 주요 원인이라고 믿습니다. 이 지하 바다에는 액체 물, 따뜻함, 필수 화학 성분(예: 인 및 복합 탄화수소)이 포함되어 있기 때문에 태양계에서 지구 너머 생명체가 살기에 가장 유망한 환경 중 하나로 간주됩니다.

생명체가 번성하려면 엔셀라두스의 바다는 오랜 기간 동안 안정된 상태를 유지해야 하며, 얻은 에너지와 손실된 에너지 사이의 균형을 유지해야 합니다. 이 균형은 달이 궤도를 돌 때 늘어나거나 압축되는 토성의 강력한 중력으로 인해 발생하는 조수 가열을 통해 유지됩니다. 열이 너무 적게 생산되면 엔셀라두스의 표면 활동이 약해지고 결국 바다가 얼어붙을 수 있습니다. 그러나 에너지가 너무 많으면 과도한 지질 활동이 유발되어 바다를 지탱하는 섬세한 환경이 파괴될 수 있습니다.

“엔셀라두스는 지구 밖의 생명체를 찾는 핵심 목표이며, 그 에너지의 장기적인 가용성을 이해하는 것은 엔셀라두스가 생명체를 지원할 수 있는지 여부를 결정하는 데 핵심입니다.”라고 이번 연구의 주저자인 조지나 마일스 박사(사우스웨스트 연구소 및 물리학과 객원 과학자)는 설명했습니다.

엔셀라두스의 신비한 따뜻함 측정하기

최근까지 과학자들은 달의 남극에서만 열 손실을 측정했습니다. 북극은 지질학적으로 조용하고 활동이 없는 것으로 여겨졌습니다. 이 가정에 도전하기 위해 연구팀은 NASA의 카시니 우주선의 데이터를 사용하여 2005년 깊은 겨울과 2015년 여름이라는 두 가지 주요 기간 동안 북극 지역을 연구했습니다. 이러한 관찰을 통해 과학자들은 열이 상대적으로 “따뜻한” 지하 해양(0°C, 32°F)에서 얼음 지각을 통해 극도로 차가운 표면(-223°C, -370°F), 우주로 탈출하기 전.

연구자들은 극의 긴 밤 동안 예상되는 표면 온도를 모델링하고 이를 카시니의 CIRS(Composite InfraRed Spectrometer)의 적외선 데이터와 비교함으로써 북극 표면이 예상보다 약 7K 더 따뜻하다는 것을 발견했습니다. 이러한 과도한 따뜻함에 대한 유일한 설명은 숨겨진 바다에서 열이 위쪽으로 누출된다는 것입니다.

팀은 평방 미터당 46 ± 4 밀리와트의 열 흐름을 측정했습니다. 그다지 크지 않은 것처럼 들릴 수도 있지만, 이는 지구 대륙 지각을 통해 빠져나가는 평균 열의 약 2/3에 해당합니다. 엔셀라두스 전체에 걸쳐 이는 약 35기가와트의 에너지에 달합니다. 이는 대략 6,600만 개의 태양광 패널(각각 530W) 또는 10,500개의 풍력 터빈(각각 3.4MW)에서 생산되는 전력에 해당합니다.

얼음 아래 안정된 바다

새로운 측정값이 이전에 활성 남극에서 감지된 열과 결합되면 엔셀라두스의 총 열 손실은 약 54기가와트에 이릅니다. 이 수치는 조석력에 의해 생성되는 열의 양에 대한 예측과 밀접하게 일치합니다. 열 생성과 손실 사이의 거의 완벽한 균형은 엔셀라두스의 바다가 오랜 시간 동안 액체 상태로 유지되어 생명체가 발달할 수 있는 안정적이고 장기적인 환경을 제공할 수 있음을 나타냅니다.

이번 연구의 교신저자인 칼리 호엣(옥스퍼드대학교 물리학과 및 행성과학연구소) 박사는 “엔셀라두스가 지구 차원에서 얼마나 많은 열을 잃어가고 있는지 이해하는 것은 엔셀라두스가 생명을 유지할 수 있는지 여부를 아는 데 매우 중요하다”고 말했다. “이 새로운 결과가 생명체 발전에 중요한 구성 요소인 엔셀라두스의 장기적인 지속 가능성을 뒷받침한다는 것은 정말 흥미롭습니다.”

바다는 얼마나 오랫동안 존재했는가?

과학자들의 다음 과제는 엔셀라두스의 바다가 얼마나 오랫동안 존재했는지 확인하는 것입니다. 만약 그것이 수십억 년 동안 존재했다면, 생명체의 조건은 그것이 잠재적으로 출현할 만큼 충분히 오랫동안 안정적이었을 것입니다. 그러나 바다의 정확한 나이는 여전히 불확실합니다.

미래 임무를 위한 엔셀라두스 매핑

이 연구는 또한 열 판독값이 엔셀라두스의 얼음 껍질의 두께를 추정하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다. 이는 로봇 탐사선이나 착륙선을 사용하여 바다를 탐험하려는 향후 임무를 계획하는 데 중요한 요소입니다. 분석에 따르면 얼음의 두께는 북극에서 20~23km, 달 전체에서 평균 25~28km인 것으로 나타났습니다. 이는 다른 모델에서 도출된 이전 추정치보다 약간 더 깊은 수치입니다.

마일즈 박사는 “엔셀라두스의 일일 및 계절적 온도 변화로 인한 전도성 열 흐름으로 인한 미묘한 표면 온도 변화를 파악하는 것은 어려운 일이었으며 이는 카시니의 확장 임무를 통해서만 가능해졌다”고 덧붙였습니다. “우리의 연구는 생명체가 서식할 수 있는 해양 세계에 대한 장기적인 임무의 필요성과 데이터가 획득된 후 수십 년이 지나야 모든 비밀이 드러날 수 있다는 사실을 강조합니다.”

• 스탠포드 엔지니어들은 극한의 추위에서도 성능이 더욱 뛰어난 뛰어난 소재인 티탄산스트론튬(STO)을 발견했습니다. 극저온에서는 약화되는 대신 광학적 및 기계적 특성이 향상됩니다.
• STO는 저온 환경에서 테스트된 모든 유사한 재료보다 성능이 뛰어나며 탁월한 강도, 안정성 및 조정 가능성을 나타냅니다.
• 이 고유한 기능은 영하의 조건에서 고성능이 필수적인 양자 컴퓨팅, 레이저 시스템 및 우주 탐사 분야의 발전을 가속화할 수 있습니다.

초전도성과 양자 컴퓨팅은 이론 물리학에서 실제 혁신으로 옮겨졌습니다. 2025년 노벨 물리학상은 초강력 컴퓨터로 이어질 수 있는 초전도 양자 회로의 획기적인 발전을 인정했습니다. 그러나 이러한 기술 중 상당수는 대부분의 재료가 고유한 특성을 상실하는 극저온(절대 영도 근처)에서만 작동합니다. 극한의 추위 속에서도 작동하는 재료를 찾는 것은 오랫동안 과학의 가장 큰 장애물 중 하나였습니다.

추위를 이겨내는 수정

새로운 과학 간행물에 따르면, 스탠포드 대학의 엔지니어들은 동결 조건에서 광학적, 기계적 성능을 유지할 뿐만 아니라 향상시키는 물질인 티탄산스트론튬(STO)의 획기적인 발전을 보고했습니다. 성능이 저하되는 대신 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘하여 다른 알려진 재료보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘합니다. 연구원들은 이 발견이 양자 컴퓨팅, 우주 탐사 및 기타 첨단 기술을 추진하는 새로운 종류의 빛 기반 및 기계 극저온 장치의 문을 열 수 있다고 믿습니다.

“스트론튬 티타네이트는 오늘날 가장 많이 사용되는 전기광학 재료보다 40배 더 강한 전기광학 효과를 갖습니다. 그러나 이는 극저온에서도 작동하므로 현재 양자 기술의 병목 현상이 되는 양자 변환기 및 스위치를 구축하는 데 유용합니다.”라고 이번 연구의 수석 저자이자 스탠포드 전기공학과 교수인 Jelena Vuckovic이 설명했습니다.

성능의 한계를 뛰어넘다

STO의 광학적 동작은 “비선형”입니다. 즉, 전기장이 가해지면 광학적 및 기계적 특성이 극적으로 변합니다. 이 전기 광학 효과를 통해 과학자들은 다른 물질이 할 수 없는 방식으로 빛의 주파수, 강도, 위상 및 방향을 조정할 수 있습니다. 이러한 다양성은 완전히 새로운 유형의 저온 장치를 가능하게 할 수 있습니다.

STO는 압전성이기도 합니다. 즉, 전기장에 반응하여 물리적으로 팽창하고 수축합니다. 이는 극한의 추위에서 효율적으로 작동하는 새로운 전기 기계 부품을 개발하는 데 이상적입니다. 연구원들에 따르면 이러한 기능은 우주 진공이나 로켓의 극저온 연료 시스템에 사용하는 데 특히 유용할 수 있습니다.

공동 제1저자이자 현재 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 교수인 크리스토퍼 앤더슨(Christopher Anderson)은 “낮은 온도에서 티탄산스트론튬은 우리가 아는 가장 전기적으로 조정 가능한 광학 재료일 뿐만 아니라 가장 압전적으로 조정 가능한 재료이기도 하다”고 말했다.

간과되었던 자료가 새로운 목적을 찾다

티탄산스트론튬은 새로 발견된 물질이 아닙니다. 수십 년 동안 연구되어 왔으며 저렴하고 풍부합니다. 공동 제1저자인 Vuckovic 연구실의 박사후 연구원인 Giovanni Scuri는 “STO는 특별히 특별하지 않습니다. 드물지도 않습니다. 비싸지도 않습니다.”라고 말했습니다. “실제로 이는 보석의 다이아몬드 대체재로 자주 사용되거나 다른 보다 가치 있는 재료를 재배하기 위한 기질로 사용되었습니다. ‘교과서’ 재료임에도 불구하고 극저온 환경에서 탁월한 성능을 발휘합니다.”

STO를 테스트하기로 한 결정은 어떤 특성이 재료를 고도로 조정 가능하게 만드는지에 대한 이해를 바탕으로 이루어졌습니다. “우리는 고도로 조정 가능한 물질을 만들기 위해 어떤 성분이 필요한지 알고 있었습니다. 우리는 이러한 성분이 이미 자연에 존재한다는 사실을 발견했으며 이를 새로운 제조법에 사용했습니다. STO가 확실한 선택이었습니다.”라고 Anderson은 말했습니다. “우리가 시도했을 때 놀랍게도 우리의 기대와 완벽하게 일치했습니다.”

Scuri는 자신들이 개발한 프레임워크가 다양한 작동 조건에 대해 다른 비선형 재료를 식별하거나 향상시키는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다.

절대 영도에 가까운 기록적인 성능

5켈빈(-450°F)에서 테스트했을 때 STO의 성능은 연구원들을 놀라게 했습니다. 비선형 광학 반응은 선도적인 비선형 광학 소재인 니오브산리튬보다 20배 더 크고, 이전 극저온 벤치마크인 티탄산바륨보다 거의 3배 더 컸습니다.

그 특성을 더욱 발전시키기 위해 팀은 결정의 특정 산소 원자를 더 무거운 동위원소로 대체했습니다. 이 조정은 STO를 양자 임계성이라는 상태에 더 가깝게 이동하여 훨씬 더 큰 조정 가능성을 생성했습니다.

Anderson은 “물질 내 정확히 33%의 산소 원자에 중성자 2개만 추가함으로써 결과적으로 조정 가능성이 4배 증가했습니다.”라고 말했습니다. “우리는 가능한 최고의 성능을 얻기 위해 레시피를 정밀하게 조정했습니다.”

극저온 장치의 미래 구축

팀에 따르면 STO는 엔지니어에게 매력적으로 보일 수 있는 실질적인 이점도 제공합니다. 기존 반도체 장비를 이용해 웨이퍼 규모로 합성, 구조적 변형, 제작이 가능하다. 이러한 기능 덕분에 양자 정보를 제어하고 전송하는 데 사용되는 레이저 기반 스위치와 같은 차세대 양자 장치에 매우 적합합니다.

이 연구는 양자 하드웨어를 발전시키기 위한 재료를 찾고 있는 삼성전자와 구글의 양자 컴퓨팅 부서에서 부분적으로 자금을 지원 받았습니다. 팀의 다음 목표는 STO의 고유한 특성을 기반으로 완벽하게 작동하는 극저온 장치를 설계하는 것입니다.

“우리는 이 재료를 선반에서 발견했습니다. 우리는 그것을 사용했고 정말 놀라웠습니다. 우리는 그것이 왜 좋은지 이해했습니다. 그런 다음 맨 위에 있는 체리 – 우리는 더 잘하는 방법을 알고 특별한 소스를 추가하여 이러한 응용 분야를 위한 세계 최고의 재료를 만들었습니다.”라고 Anderson은 말했습니다. “정말 좋은 이야기네요.”

삼성 및 Google과 함께 이 연구는 미국 국방부와 에너지부의 Q-NEXT 프로그램을 통해 Vannevar Bush 교수 펠로우십의 지원을 받았습니다.

기고자에는 University of Michigan의 Aaron Chan과 Lu Li가 있습니다. 스탠포드 EL Ginzton 연구소의 은성준, Alexander D. White, 안근호, Amir Safavi-Naeini 및 Kasper Van Gasse; Stanford Nano Shared Facility의 Christine Jilly입니다.