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지난호





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PHYSICS PLAZA

Physical Review Focus

등록일 : 2021-05-11 ㅣ 조회수 : 374

  

핵분열 연쇄 반응이 초신성을 유발할 수 있다.
Focus: Fission Chain Reaction May Trigger Supernovae


백색 왜성이 초신성으로 폭발할 때 초기 방아쇠는 원자폭탄의 별 버전일 수 있다는 새로운 이론적 제안이 나왔다.1) 이 시나리오는 백색 왜성이 동반별의 질량을 빨아들여 불안정해진다는 교과서의 설명과는 다르다. 이 시나리오를 제안한 연구자들은 별의 핵이 냉각되는 동안 우라늄의 결정화가 폭주하는 핵분열을 유도할 수 있다고 말한다. 이 핵분열 “폭탄”은 초신성을 생성하기 위해 더 가벼운 원소들의 수소폭탄과 같은 (핵융합) 폭발을 유발할 수 있다. 이 과정에 대한 몇 가지 중요한 질문들이 아직 답을 기다리고 있지만 전문가들은 이 이론이 탐색할 가치가 있다고 말한다.


백색 왜성은 밀도가 매우 높은 별로서 총질량은 태양 정도에 맞먹지만 크기는 지구와 비슷하다. 이 별은 태양과 비슷한 규모의 별이 자신의 연료를 다 태운 후 중력에 의해 수축되어 밀도가 높아져 형성된다. 일부 백색 왜성은 1a형 초신성으로 그들의 삶을 끝내는데 이 과정은 해당 별이 쌍성계의 일부일 경우에만 발생하는 것으로 생각되고 있다. 왜냐하면 단일 백색 왜성은 냉각됨에 따라 안정적이어야 하기 때문이다.


그러나 미국 Indiana University의 Charles Horowitz와 Illinois State University의 Matt Caplan은 백색 왜성의 내부가 차가워짐에 따라 우라늄을 포함한 무거운 원소들이 우선적으로 고화(결정화)될 것이라는 점을 지적한다. 이 냉각과 고화 과정은 복잡한 플라즈마 혼합물을 개별 조성들로 분리하는데 이 과정은 상 분리(phase separation)이라 불린다. 비록 우라늄과 그와 비슷한 (무거운) 원소들의 초기 함량이 매우 작다 하더라도, 이 원소들 속에서 “초기 고체는 매우 강하게 농축될 것”이라고 Horowitz와 Caplan은 이 논문에서 밝혔다.


우라늄의 핵은 때로 자발적인 핵분열을 겪고 더 작은 덩어리로 분열되며 에너지와 중성자들을 방출하는데 이들이 근처 우라늄 핵을 분열할 수 있다. 만약 우라늄의 질량이 어떤 임계 질량보다 크다면 핵분열 과정은 원자 폭탄의 폭발과 비슷하게 스스로 유지하는 연쇄 반응을 일으키며 매우 큰 양의 핵 에너지를 생성할 수 있다.


Horowitz와 Caplan은 계산과 컴퓨터 시뮬레이션을 수행해서 냉각되는 백색 왜성 내에서 일반적으로 발견되는 원소 조합으로부터 우라늄의 임계 질량이 결국 결정화될 수 있음을 보였다. 그들은 만약 우라늄이 폭발한다면 별의 핵에 형성되는 열과 압력이 충분히 높아서 더 가벼운 원소들, 특히 탄소와 산소의 핵융합을 유발하며 초신성 폭발을 일으킬 수 있을 것이라 말한다.(비슷하게, 오늘날 열핵 반응 핵융합 폭탄은 핵분열 폭탄에 의해 폭발한다.)


Horowitz는 이 과정의 관측가능한 신호를 특정하는 것은 “많은 작업을 필요로 한다”고 말한다. 그러나 그는 그와 Caplan이 예측한 별의 중심부의 단일 장소에서 발화된 탄소 핵융합에 대한 시뮬레이션이 초신성 스펙트럼의 혹은 빛 곡선(light curve)이라 알려진 밝기 대 시간의 몇 가지 중요한 특징들을 밝힐 수도 있을 것이라고 생각한다.


미국 Santa Cruz의 University of California에 있는 천체물리학자 Stan Woosley는 이 연구가 “완전히 새로운 아이디어”를 제공한다고 말한다. 그는 “1a형 초신성을 만드는 방법은 여러 가지가 있을 것이다”라고 말한다. “이것은 내가 꽤 오랫동안 들어 본 것 중 가장 혁신적이고 창의적인 제안이다.”


그러나 그는 논문의 결론을 확고히 하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 덧붙이며, 결정화하는 우라늄이 충분히 순수한지에 대해 의문을 던진다. “우리는 확실히 모른다”라고 Horowitz는 인정한다. “이 시점에서 우리는 고체에 우라늄이 매우 풍부하다고 생각하지만 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 고체의 조성을 더 정확히 규정하려는 연구를 진행 중이다.” 미국 New Mexico의 Los Alamos National Laboratory에서 핵융합을 연구하는 Paul Bradley는 대부분 쉽게 핵분열을 일으키는 특정한 우라늄 동위원소(우라늄-235)의 양이 충분하지 않을 것이라 생각한다. 아울러 별 내부의 조건들이 연쇄 반응을 지원하지 않을 것이라 생각한다. 그리고 심지어 탄소 핵융합이 폭발한다고 하더라도 Bradley는 그것이 별을 날려버릴 정도로 충분히 강력한지에 대해 확신하지 못한다. 


독일 University of Heidelberg의 천체물리학자 Friedrich Roepke은 결국 Horowitz와 Caplan이 현 단계에서 이 아이디어를 가설로 구성하는 것이 옳다고 말한다. 그러나 그는 이 가설이 계속 추구할 가치가 있다고 생각한다.



   

COVID-19의 모델링에는 불균일성이 중요하다.
Synopsis: Heterogeneity Matters When Modeling COVID-19


2020년 초, 많은 나라가 COVID-19의 확산을 막기 위해 전면봉쇄(lockdown)를 시행했다. 당시 이론적 모델들은 이런 봉쇄 조치가 감염자의 수에 대해 약간의 영향만 미칠 거로 예측하였으나, 덴마크 Copenhagen University에서 전염병을 연구하는 물리학자 Kim Sneppen의 연구결과에 따르면 이러한 전략은 매우 놀랄 정도로 효과적이었음으로 밝혀졌다. 이런 예기치 않은 결과를 초래한 이유를 이해하고자 Sneppen과 그의 동료들은 그들의 모델을 다시 검토했다. 오늘 발행된 그들의 결과는 이 불일치가 일 년 전에는 고려되지 않았으나 현재 COVID-19의 특성이라 알려진 감염률 불균일성(heterogeneity)에 의해 설명될 수 있다는 걸 보여준다.2) 이러한 불균일성을 고려하면 사람 사이의 사회적 상호작용을 제한하는 완화 전략의 예상 효과가 급격히 증가한다. 


독감의 확산은 표준적인 감염병 모델을 이용해 꽤 쉽게 다룰 수 있다. 왜냐하면 독감의 감염률(감염된 각 개인으로부터 감염되는 사람의 수)은 사람들 사이에 별 차이가 없기 때문이다. 작년 초기에 역학자들은 독감보다 높았던 COVID-19의 감염률도 개인 간 편차가 별로 없이 동등할 것이라 생각했다. 그러나 2020년이 지나가면서 그게 사실이 아니라는 점이 명백해졌다. 대신 일부 COVID-19 보균자는 아무도 감염시키지 않았으나 수퍼전파자로 알려진 다른 보균자는 전체 군중을 감염시켰다. 


연구팀은 인구 집단을 자율적 의사결정 단위의 집합체로 취급하는 행위자(agent) 기반 COVID-19 모델에 이러한 가변적 감염률을 포함했다. 그후 그들은 이 모델을 이용해 다양한 억제 전략의 효율성을 테스트했다. 그들은 봉쇄 조치 중 일어나는 사람들의 그룹 사이의 사회적 상호작용의 기간보다는 수를 제한하는 것이 질병의 확산을 막는 가장 좋은 방법이라는 것을 발견했다. 이와 동일한 억제 전략이 독감에 대해서는 효과를 발휘하지 않을 것이다.




   

결정 충돌 영역에 무질서 도입하기
Synopsis: Designer Disorder in a Crystalline Conflict Zone


결정은 이론적으로 기술하기에 가장 간단한 고체의 일부다. 결정은 공간상에서 반복되는 패턴으로 구성되어 있기 때문에 단지 몇 가지 매개변수를 이용해 그들의 큰 스케일의 구조를 예측할 수 있다. 영국 University of Bristol에 있는 Daniel Chaney과 동료들은 결정의 구조적 질서도가 더 작은 스케일의 이차적 패턴에 의해 국소적으로 변조된 결정을 만들었다.3) 그들은 이 “상관되어 있는 무질서(correlated disorder)”가 물질 내에서 전파되는 포논(phonon)을 어떻게 바꾸는지 보여줌으로써 그것의 열적 특성을 조절하는 방법을 제시했다.


비슷한 구조를 가진 두 결정은 직소 퍼즐(jigsaw puzzle) 조각들이 함께 고정되는 것처럼 한 결정 위에 다른 결정을 얹어 성장시킬 수 있다. 이후 한 층이 결정 구조를 변경하려 하면 연동되어 물려 있는 직소 퍼즐이 그 변화를 방해할 수 있다. 연구팀은 이 효과를 이용해 300 nm 두께의 우라늄-몰리브덴(UMo) 합금 내에 결정학적 “충돌(conflict)”을 형성했다. 그들은 섭씨 800도에서 니오븀으로 구성된 아래층 위에 UMo층을 성장시켰는데, 이 온도에서 두 물질은 모두 입방정계(cubic)를 띤다. 냉각됨에 따라 UMo는 일반적으로 사방정계(orthorhombic) 우라늄과 입방정계 몰리브덴을 형성하기 위해 분해된다. 대신에 니오븀-UMo 연동 지역은 합금의 혼합 상태를 유지함으로써 초기 입방정계 구조를 유지하도록 했다. 


엑스선 산란 실험을 통해 이런 구조적 충돌이 UMo의 입방정계 격자를 변형시키고 교차하는 결정면의 원자들이 서로 반대 방향으로 변위한다는 것을 밝혔다. 이 패턴은 5‒30 Å의 영역에 걸쳐 유지되었는데 정확한 상관 길이는 합금 내 몰리브덴의 양을 포함한 여러 요소들에 의존했다.


연구팀은 포논이 교란되지 않은 시뮬레이션 격자에서보다 교란된 격자에서 훨씬 더 짧은 수명을 가짐을 발견했다. UMo에서 열 수송은 포논이 아니라 전자에 의해 지배된다. 그렇지만 연구자들은 상관된 무질서가 포논이 더 큰 역할을 하는 물질의 열전도를 조정하는 데 사용될 수 있을 것이라고 말한다.



*Translated from English and reprinted with permission from the American Physical Society.
*This work may not be reproducded, resold, distributed or modified without the express permission of the American Physical Society.


[편집위원 고재현 (hwangko@hallym.ac.kr)]

각주
1)C. J. Horowitz and M. E. Caplan, Phys. Rev. Lett. 126, 131101 (2021).
2)B. F. Nielsen et al., Phys. Rev. Lett. 126, 118301 (2021).
3)D. Chaney et al., Phys. Rev. Mater. 5, 035004 (2021).
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