재난 영화를 본 사람이라면 누구도 안심할 수 없을 뉴스가 있다. 과학자들이 핵폭발로 지구로 향하는 소행성의 궤도를 바꿀 수 있다는 사실을 확인했지만, 그것도 우주를 굴러다니는 거대한 불규칙한 암석의 올바른 면을 맞혔을 때만 가능하다는 것이다.

이카루스(Icarus) 저널에 발표된 새로운 연구에 따르면, 이러한 임무의 성공은 소행성의 어느 면에 폭발이 가해지느냐에 크게 달려 있다. 컴퓨터 시뮬레이션이 좋아하는 매끄럽고 둥근 물체와 달리, 실제 소행성은 표면이 고르지 않고 모양이 불규칙하며, 이러한 차이가 강렬한 방사선에 노출될 때 소행성이 움직이는 방식에 극적으로 영향을 미친다.

샌디아 국립연구소의 물리학자 네이선 무어가 이끄는 이 연구는 동일한 소행성에 대해 X선 폭발의 방향을 바꾸는 시뮬레이션을 수행했고, 그 결과는 크게 달랐다. 한 시뮬레이션에서는 한 방향에서 조사했을 때 소행성의 속도가 초당 3.9밀리미터 변한 반면, 다른 방향에서는 초당 0.8밀리미터만 변했다. 이는 폭발로 인한 소행성의 전진 속도 변화인 편향 속도에서 거의 5배 차이다. 무어는 "조준이 중요하다는 것은 예상했다"며 "놀라웠던 것은 그 정도였다"고 말했다.

회전은 훨씬 더 변덕스러웠다. 또 다른 시뮬레이션 소행성의 경우, X선 방향에 따라 회전 속도 변화가 17배나 차이 났다. 따라서 우리는 소행성을 편향시키지 못할 뿐만 아니라, 피겨 스케이터가 질투할 만한 방식으로 회전하게 만들 수도 있다.

이 발견은 소행성의 모양을 이해하고 핵폭발을 어디로 향하게 할지 신중하게 선택하는 것이 미래의 충돌로부터 지구를 보호하는 데 필수적일 수 있음을 시사한다. 이 연구는 샌디아의 연구소 주도 연구 개발 프로그램을 통해 자금을 지원받았다.

다양한 소행성 모양이 핵폭발에 어떻게 반응하는지 조사하기 위해 무어와 동료들은 지금까지 가장 정확한 소행성 편향 모델이라고 설명하는 것을 개발했다. 이전 컴퓨터 모델은 연구자들이 소행성의 복잡한 모양을 표현하는 것과 관련된 물리적 힘을 매우 상세하게 계산하는 것 중 하나를 선택해야 했으며, 둘을 결합하려면 실제로 가능한 것보다 더 많은 컴퓨팅 파워가 필요했다. 새로운 시스템은 이러한 장애물을 극복하여 과학자들이 현실적인 소행성 모양을 연구하면서 X선 폭발에 대한 반응을 계산하는 데 필요한 정밀도를 유지할 수 있게 한다. 무어는 "우리의 새로운 알고리즘은 1,600배 이상 빠르며, 이것이 이 돌파구에 결정적이었다"며 "기존 모델로는 컴퓨터가 감당할 수 없었다"고 말했다.

무어의 관심은 샌디아의 Z 머신을 사용한 초기 실험에서 비롯되었으며, 이 실험은 X선이 소행성 물질의 작은 조각을 편향시킬 수 있음을 처음으로 입증했다. 다음 과제는 계산을 전체 규모 소행성으로 확장하는 것이었다. 주요 문제는 소행성을 구로 취급하는 광범위한 관행이었는데, 이는 능선, 함몰 및 고르지 않은 표면을 간과하는 단순화다. 그는 "그런 식으로 추정할 수는 있지만 소행성은 온갖 이상하고 울퉁불퉁한 모양을 하고 있다"며 "그때 동료가 우주 물체의 가스 방출과 관련해 하고 있던 작업에 착안했다. 이걸 할 수 있다는 것을 깨달았을 때 아하 순간이 있었다고 생각한다. 더 이상 구는 없다. 어떤 소행성이든 편향을 모델링할 수 있게 될 것"이라고 말했다.

해결책은 샌디아에서 매우 다른 물리적 문제에 이미 사용 중인 두 가지 정교한 시뮬레이션 시스템을 결합하는 것이었다. 무어는 "ALEGRA 코드는 일반적으로 Z 머신에서 자기적으로 내파되는 와이어와 같은 빠르고 고에너지 실험을 모델링하는 데 사용되며, 직접 시뮬레이션 몬테카를로 코드인 SPARTA는 일반적으로 태양풍으로 인한 위성의 항력과 같이 상대적으로 약하고 천천히 진화하는 힘을 모델링하는 데 사용된다"며 "여기서 핵심 혁신은 두 시뮬레이션 접근 방식을 결합하는 방법을 알아낸 것이다"라고 설명했다.

새로운 모델을 통해 연구자들은 우주선 근접 비행에서 얻은 상세한 3D 이미지를 사용하여 소행성을 재구성한 다음 시뮬레이션할 수 있다.