ISM Properties and Star Formation Activities in IC 10: 2D Cross-correlation Analysis of Multi-wavelength Data : 왜소은하 IC 10 내의 성간물질의 특성과 별 형성 활동: 다파장 자료를 이용한 2차원 상관관계 분석

Kim, Seongjoong 연세대학교 일반대학원 2016 국내석사

왜소은하들은 계층적 은하 합병 모델의 은하 진화를 이해하는데 아주 중요한 천체로 주목을 받고 있다. 특히 청색밀집왜소은하(blue compact dwarf galaxies)의 경우, 별 형성 역사를 연구하는데 아주 중요한 천체로 인식되고 있다. IC 10은 국부 은하군에 존재하는 청색밀집왜소은하로 현재 폭발적 별 형성 현상 (0.2 M·yr-1)이 관측되고 있는 은하이다. 이 은하는 중원소 함량이 매우 낮은 환경의 (Z~0.2~Z·; 12+log(O/H)~8.2) 별 형성 활동 및 성간물질의 특성을 연구하는데 아주 적합한 은하이다. 이번 연구에서는 IC 10 내의 성간물질의 특성 및 별 형성 활동에 초점을 맞춰 연구를 진행하였다. 별 형성 활동을 알아 보기 위해 한국우주전파관측망 (KVN) 단일경 관측을 통해 22 GHz에서의 물 분자메이저 선을 관측하였다. 성간물질의 특성과 별 형성 역사 및 활동에 관한 연구를 위해 SMA CO 분자선, VLA 수소 원자선, H 방출선 및 [O III] 금지선, Spitzer 우주 망원경의 8μm 및 24μm, 광학 U-band, 2micron 전천탐사 K-band의 다파장 자료에 2차원 상관관계 분석을 통해 수치적 분석을 시도하였다. 2차원 상관관계 분석을 통해 IC 10에서의 폭발적 별 형성 활동이 약 10 Myr 전부터 있었음을 확인하였고, 약 1 Gyr 이전에 늙은 별들로 이루어진 은하 원반이 탄생한 것을 확인하였다. 또한 은하 내부에 존재하는 2 곳의 폭발적 별 형성 지역인 남동부 (IC 10 SE)와 북서부 (IC 10 NW)의 성간물질의 특성 및 별 형성 활동이 매우 다른 것을 확인하였고, 이로부터 이 두 지역이 서로 다른 단계의 폭발적 별 형성 활동을 보이고 있음을 추론할 수 있었다. 이러한 차이는 폭발적 별 형성이 발생한 원인 및 주변 환경에 따른 요인으로 보인다. Dwarf galaxies are important objects to understand the evolution of galaxies in the hierarchical formation paradigm of the universe. Especially, Blue Compact Dwarf (BCD) galaxies are good samples to study the star formation history of the universe. IC 10 is a nearby (~0.7 Mpc) irregular BCD galaxy which is likely to be experiencing an intense and recent burst of star formation with largely extended HI disk. This nearby premature system showing high star formation rate (~0.2 M · yr-1) but low metallicity (Z~0.2 Z · ; 12+log(O/H)~8.2) provides critical environment of interstellar medium (ISM) under which current galactic star formation models are challenged. To understand the evolution history of IC 10, we probe the gas and star formation properties of actively star forming regions in IC 10 using the Korea VLBI Network (KVN) and complementary archival data. The gas properties in different phases and star formation activities in different time scales associated with star forming regions are studied using the Sub-millimeter Array (SMA) CO lines, Very Large Array (VLA) HI 21cm, Spitzer 8μm and 24μm dust emissions, optical emission lines such as Hα and [O~III], optical U-band, and 2 Micron All Sky Survey (2MASS) K-band data. To make quantitative analysis of the ISM properties and star formation activities in the galaxy, we apply 2D cross-correlation technique to the multi-wavelength data for the first time. By analyzing the results of 2D cross-correlation between tracers with different scales, we discuss the gas properties, the relation between gas conditions and star formation activities, and star formation history of IC 10, an important target to understand the star formation mechanism in a system with low metal abundance. From correlation coefficients between tracers of gas phases ([O III], VLA HI, BIMA CO, and Spitzer 8μm) in a two dimensional space, it is inferred from the high values of correlation coefficients (r?0.5) between CO, HI, and 8μm that neutral HI gas constructs complex filament structures with molecular gas and interstellar dust in dense regions. Meanwhile, the low values of correlation coefficients (r<0.1) between [O III] and other tracers indicate hot ionized gas is distinct in spatial distribution with the other cold gases. From the same analysis which is applied to tracers of star formation (Hα, Spitzer 24μm, optical U-band, and 2MASS K-band), there are recent starbursts (~10 Myrs) which is confirmed from the strong correlation between Hα and 24μm (r=0.822) on the main stellar disk of IC 10 which is dominantly consisted with old stellar populations traced by K-band (?1 Gyrs). By applying the same method to representative starburst regions, south-east (SE) and north-west (NW) region of IC 10, there are quite large differences in star formation activities and ISM properties. IC 10 SE shows plenty cold gas, strong H2O kilo-maser, and well-mixed stellar populations from new-born stars (?10 Myrs) to old stars (?1 Gyrs). These are the signposts of the active star formation activities in this region (?1 Gyrs and ?100 Myrs). In contrast, IC 10 NW shows the dominant hot ISM, the lack of cold gas, no H2O maser detection, and the offsets between young stars and old stars. These indicate that the complex star formation history in this region, which shows the migration star forming regions from south at 1 Gyr ago to north at a few hundreds Myr ago, then IC 10 NW now. From the absence of H2O kilo-maser indicates no or weak star formation activities less than 0.1 Myr time scale in this region. Based on these differences, two regions might be in different stages of starburst.

On-Orbit Relative Navigation for VISION CubeSat Laser Crosslink Mission

Kim, Yeji 연세대학교 일반대학원 2025 국내석사

As the volume of space-borne data increases, laser communication techniques are being considered to achieve a fast transmission rate and high link security or privacy. The Very-High-Speed Intersatellite Optical Link System Using an Infrared Optical Terminal and Nanosatellite (VISION) mission aims to establish a Gbps-level intersatellite communication link using laser technology in free space. This thesis focuses on the integrated design and performance validation of an on-orbit relative navigation and Pointing, Acquisition, and Tracking (PAT) system to enable a high-speed free-space optical communication (FSOC) link between formation-flying nanosatellites in low Earth orbit. The mission demands arcsecond-level pointing precision and sub-meter relative positioning accuracy over relative distances up to 1,000 km. To meet these requirements, an accurate GPS-based relative navigation algorithm was developed and evaluated. In addition, an integrated attitude-orbit simulation system was developed to evaluate the feasibility of PAT alignment by connecting the relative navigation solution to the Attitude Determination and Control System (ADCS) module in real time. Accurate relative position estimation is critical for the successful execution of the PAT system. In this work, a Modified Adaptive Extended Kalman Filter (MAEKF) was designed for real-time relative navigation using dual-frequency GPS carrier-phase measurements (L1/L2) and a single-differenced observation model. To overcome the limitations of a classical Extended Kalman Filter (EKF) with fixed noise assumptions and to better adapt to dynamic conditions, the MAEKF incorporates adaptive noise covariance tuning techniques based on a simplified innovation-based covariance matching algorithm. This approach employs an adaptation of the original Adaptive Extended Kalman Filter (AEKF), modifying calculations of process noise covariance and eliminating an empirical tuning factor. The performance of the VISION relative navigation system is verified through both software simulations and hardware-integrated tests using a GPS signal generator (Spirent GSS6560) and an onboard GPS receiver (NovAtel OEM719). The results demonstrate the MAEKF reliably achieves the mission’s target performance, maintaining sub-meter relative positioning accuracy over intersatellite baselines up to 1,000 km, thereby fulfilling the minimum requirements and enabling improved pointing stability. Building upon the relative navigation solution, a real-time PAT system is employed to continuously align the two satellites in the Line-of-Sight (LOS) vector. The PAT sequence evaluated in this research includes a Bus Initialization Stage (BIS) for initial beam acquisition, followed by a Coarse PAT Stage (CPS) for payload alignment, and a Fine PAT Stage (FPS) for high-precision beam control. In the CPS, a short-wave infrared camera (CAM) feedback loop is implemented for pointing error correction. Although the FPS handles the final stage of fine beam steering, it is not included in the PAT system simulation. An integrated orbit-attitude simulation in this thesis is designed to focus solely on the BIS and CPS, evaluating beam alignment performance through the combined operation of the relative navigation system and attitude control. Simulation results show that the total pointing error was maintained at approximately 46.9 arcseconds (3σ). This level of pointing accuracy meets the requirements for sustaining a stable 1 Gbps laser communication link between the CubeSats. This study also identifies several practical challenges for on-orbit implementation. For instance, temporary drops in GPS satellite visibility, periods with four or fewer satellites in view, can degrade navigation accuracy, highlighting the need for complementary strategies such as optimized mission operation scheduling or integration of multi-constellation Global Navigation Satellite System (GNSS) signals. Additionally, to meet the mission’s stringent pointing requirement of 1  μrad, the pointing system cannot depend entirely on CubeSat’s attitude control performance. As a result, the mission architecture incorporates a parallel fine-pointing control loop using a Fast Steering Mirror (FSM), designated as the FPS within the overall pointing sequence. While this thesis does not include an analysis of the FPS, future investigation of this stage is critical, as it will be key to assessing the feasibility and stability of high-rate optical intersatellite links. Thermal fluctuations in the space environment may also induce structural distortions that affect pointing precision. While this study modeled these distortions as a fixed bias of 100 arcseconds, future missions may require real-time thermal distortion compensation mechanisms to ensure sustained pointing accuracy. The key contributions of this research are as follows. First, this thesis develops and validates the MAEKF algorithm, enabling accurate GPS-based relative navigation designed for the VISION CubeSat mission. Second, through hardware-integrated validation, it demonstrates the MAEKF consistently achieves the mission’s positioning accuracy goal, demonstrating reliable real-time performance under realistic signal conditions. Third, the study investigates an integrated orbit-attitude control architecture capable of achieving arcsecond-level pointing precision, thereby establishing the feasibility of Gbps-speed free-space optical communication links using CubeSat platforms and laying the groundwork for real-time operation of tightly coupled navigation and pointing systems. Future work will extend these findings through hardware experiments incorporating actual flight software and on-orbit demonstrations to achieve comprehensive system-level validation. The proposed framework can be further enhanced by integrating a fine-pointing control mechanism such as an FSM and scaled to accommodate multi-satellite optical networks. Extending the relative navigation algorithm to a multi-agent satellite constellation will be crucial for future multi-satellite formation-flying missions, to support scalable optical networks under dynamically changing orbital conditions. Ultimately, this thesis provides a technical foundation for next-generation space communication architectures, advancing the development of high-speed, reliable space networks utilizing CubeSat. 본 논문은 지구 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 편대비행 초소형 위성 간의 자유공간 광통신(Free-Space Optical Communication, FSOC) 링크 구축을 위한 정밀 상대항법 및 지향, 획득, 추적(Pointing, Acquisition, and Tracking, PAT) 시스템의 통합적 설계 및 성능 검증에 관한 내용을 중심으로 수행되었다. VISION 임무는 6U 큐브위성 두 위성 간에 1 Gbps 이상의 속도를 가지는 자유공간 광통신을 실현하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 위성 간 최대 1,000 km의 상대 거리에서도 arcsecond 수준의 정밀 포인팅 성능과 수 미터 이내의 상대위치 추정 정확도를 확보하고자 한다. 본 논문에서는 이러한 미션의 목표 성능을 만족시키기 위해 장기선 환경에서 사용될 수 있는 GPS 기반 상대항법 알고리즘을 개발하였으며, 이를 하드웨어 통합 시뮬레이션 및 자세 결정 및 제어 시스템(Attitude Determination and Control System, ADCS)과 실시간 연동하는 통합 시스템을 이용해 검증하였다. 상대위치 추정 기술은 PAT 시스템 운용의 기반이 되는 핵심 기술이다. 본 연구에서는 GPS L1/L2 이중 주파수를 활용하여 코드 의사거리 및 반송파 위상 기반 측정을 통해 성능을 확보하였고, 단일 차분(Single-Difference, SD) 기반의 관측 모델을 활용하여 실시간 추정을 수행한다. 특히, 기존 확장 칼만 필터 (Extended Kalman Filter, EKF)의 한계를 극복하고 실시간 환경 변화에 적응할 수 있도록, 간소화된 Innovation-based covariance matching 알고리즘에 기반한 적응형 프로세스 잡음 공분산 조정 알고리즘에 기반하여 수정된 적응형 확장 칼만 필터(Modified Adaptive Extended Kalman Filter, MAEKF)를 개발하였다. 해당 필터는 소프트웨어 시뮬레이션뿐 아니라 GPS 신호 발생기(Spirent GSS6560)와 실제 수신기(NovAtel OEM719)를 연동한 하드웨어 통합 테스트를 통해 실시간으로 성능을 입증하였으며, 최대 1,000 km의 장거리 편대비행 환경에서도 1 m 이하의 상대위치 오차를 유지함으로써 임무 개발 단계에서 목표로 하였던 정확도 수준을 만족함을 보였다. 편대비행 위성의 지향 성능 측면에서는, MAEKF로부터 도출된 상대위치 벡터를 이용하여 위성 간의 시선 벡터(Line of Sight, LOS)를 계산하고, 이를 기준으로 ADCS를 통해 위성 자세를 조정하는 실시간 PAT 시스템을 구현하였다. 본 논문에서 집중적으로 검증한 PAT 시퀀스는 위성 초기 탐색 및 정렬을 위한 BIS (Bus Initialization Stage) 및 비정밀 포인팅 조정을 위한 CPS (Coarse PAT Stage) 단계에 해당한다. 본 논문에서는 광통신 링크 구축을 위한 최종 정밀 지향 단계(Fine PAT Stage, FPS), 즉 FSMs (Fast Steering Mirrors) 탑재체가 사용되는 구간을 제외하고, BIS 및 CPS 시퀀스에 대해 궤도-자세 통합 시뮬레이터를 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 상대항법 및 자세 제어기 성능을 반영한 전체 포인팅 오차는 평균 46.9 arcsec (3σ) 수준을 유지함을 보였다. 이를 통해 1 Gbps 광통신 링크를 안정적으로 유지하기 위한 임무 요구사항인 90 arcsec 이내의 오차 기준을 만족함을 검증하였다. 본 연구 과정에서 실제 임무 적용을 위하여 고려해야 할 후속 연구의 가능성도 확인되었다. 첫째, GPS 위성 가시성의 일시적 저하, 즉 관측 위성이 4기 또는 그 이하로 감소하는 상황에서는 상대항법 필터의 정확도가 일시적으로 악화될 수 있음을 확인하였다. 이는 실시간 임무 환경에서 GPS 위성의 기하학적 관계를 고려한 적절한 운용 전략, 혹은 GNSS 복합 활용 등의 보완 전략에 관한 연구가 필요할 수 있음을 시사한다. 둘째, 본 임무에서 요구되는 1  μrad 수준의 정밀 포인팅은 초소형 위성의 ADCS, 특히 반작용휠의 물리적 성능만으로는 달성하기 어려운 것으로 알려져 있다. 이에 따라 이를 보완하기 위한 Fast-Steering Mirror(FSM) 기반의 병렬 제어 구조가 본 임무에서 제안되었으며, 이러한 탑재체 기반 정밀 제어 단계는 PAT 시퀀스 내 정밀 PAT 단계(Fine PAT Stage, FPS)로 정의된다. 본 논문에서는 해당 FPS 단계를 다루지 않았으나, 향후 이를 포함한 포인팅 성능 분석이 필수적으로 수행되어야 하며, 이는 고속 광통신 링크의 구축 및 안정적 운용 가능성 평가에 핵심적인 요소가 될 것이다. 셋째, 궤도상에서의 열환경 변화는 위성 구조물 및 탑재체의 미세한 변형을 유발하며, 이는 포인팅 정밀도에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나로 작용할 수 있다. 본 논문에서는 이를 고정된 오차 모델(100 arcsec 바이어스)로 단순화하여 처리하였으나, 향후 실제 임무 환경에서는 실시간 열변형 보정 또는 자율적 캘리브레이션 기능이 요구될 수 있다. 본 연구의 주요 기여점은 다음과 같다. 첫째, GPS 기반 정밀 상대항법 기술의 구현을 위하여 MAEKF 알고리즘을 개발 및 적용하였다. 둘째, 하드웨어 실험을 통한 상대항법 알고리즘 검증을 통해 실제 신호 환경에서 실시간 항법 성능을 안정적으로 확보할 수 있으며, 임무에서 요구하는 위치 추정 정확도 목표를 만족함을 확인하였다. 셋째, 항법 및 자세제어 시스템의 통합 구조를 구현함으로써 임무에서 요구하는 arcsecond 수준의 정밀 지향 제어가 가능함을 확인하였다. 또한, 상대항법과 상대지향 제어 연계 구조의 실시간 동작 가능성과 자율성 확보를 위한 설계의 기반을 마련하였다. 향후 연구는 실제 위성 탑재체 및 비행 소프트웨어를 반영한 하드웨어 실험, 그리고 궤도상 실증을 통한 시스템 수준 검증이 수행될 수 있으며, FSM 기반 미세 지향 보정 단계의 통합, 편대비행 위성간 광학 네트워크 구성 확장 등으로 발전될 수 있다. 특히, 향후 다중 위성 시스템의 편대비행 상황에서 변화하는 환경에 맞추어 더 큰 규모의 광학 네트워크를 운영하기 위해서는 상대항법 알고리즘을 다중 위성군에 적용할 수 있도록 확장하는 방법에 대한 고찰이 반드시 필요하다. 본 연구의 결과는 이러한 미래형 우주통신 구조의 기술적 기초로서 활용될 수 있으며, 향후 초소형 위성을 활용한 고속 우주 네트워크 구축에 핵심적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

Bi-Level Optimization with Intercept-Type Arcs for Low-Thrust Gravity-Assist Trajectory Design

Kim, Pureum 연세대학교 일반대학원 2026 국내박사

This dissertation addresses the problem of designing fuel-efficient low-thrust gravity-assist (LTGA) trajectories for interplanetary missions, increasingly favored for their ability to support long-duration, complex missions while minimizing propellant mass. Optimizing LTGA trajectories, which combine continuous low-level propulsion with multiple gravity assists, poses a complex optimal control problem. This research builds upon a bi-level nested optimization framework. At the inner level, low-thrust trajectory segments (arcs) are designed using a shape-based method with finite Fourier series representations, optimized via nonlinear programming solvers to generate dynamically feasible and fuel-efficient arcs. The outer level employs metaheuristics to globally optimize key parameters such as event timing (launch, arrival, and swing-bys), swing-by configurations, and constituent arc boundary conditions. This nested structure enables a comprehensive search of the solution space, yielding fuel-efficient LTGA trajectories that adhere to realistic thrust constraints. A major contribution of this dissertation is the development of novel outer-level problem formulations within the bi-level design framework that reduce the dimensionality of the search space. By selectively omitting the spacecraft’s inbound velocity boundary conditions at swing-bys, some decision variables are eliminated. Complementing this, inner-level intercept-type arc design algorithms are introduced to support the newly suggested outer-level problem models. This dimensionality reduction enables more efficient exploration of the LTGA trajectory solution space, enhancing the likelihood of outer-level optimizers reaching global or strong local minima without sacrificing access to high-quality solutions. Comprehensive benchmark studies demonstrate that the new problem models consistently enhance trajectory design performance, facilitating the discovery of superior trajectories in fewer optimization runs. Another contribution is a comparison of population-based metaheuristic algorithms—genetic algorithm, particle swarm optimization, and differential evolution—used as the outer-level solver, where differential evolution and particle swarm optimization outperformed the genetic algorithm. This study also presents a refined version of differential evolution with modified bound handling strategies for improved navigation of the solution space, delivering modest performance enhancements. These findings provide practical guidance for selecting and tuning metaheuristics in LTGA trajectory design. Verification against two-step design solutions in the literature demonstrates that the proposed bi-level framework can reliably generate preliminary LTGA trajectories that closely approximate refined solutions obtained by two-step design frameworks, while incorporating complex and realistic constraints directly in a single-step optimization process. Furthermore, in one case, the suggested bi-level optimization strategy succeeds in yielding more fuel-efficient LTGA trajectory solutions than previously reported. This highlights the robustness and reliability of the bi-level design framework for producing accurate mission parameter estimates, capabilities that are especially valuable for early-phase mission design. Altogether, the work advances LTGA trajectory optimization by enhancing the likelihood of identifying global or strong local minima in the bi-level architecture via an appropriate choice of trajectory modeling and metaheuristics to meet the increasing requirements of contemporary interplanetary mission design. 본 논문은 저추력 추진계를 탑재한 태양계 탐사선의 궤적설계를 위해 스윙바이를 활용하는 저추력 스윙바이(LTGA) 궤적의 연료최적 설계를 다룬다. LTGA 궤적설계는 저추력 궤적설계의 본질적인 난점에, 스윙바이의 활용으로 인해 발생하는 많은 수의 지역 최적 해라는 난점까지 더해진 어려운 문제로 여겨진다. 본 논문에서는 이중 레벨 중첩 최적화 프레임워크를 이용하여 LTGA 궤적설계 문제에 접근한다. 이중 레벨 최적화의 내부 레벨은 하나의 LTGA 궤적을 구성하는 다수의 부분궤적(아크)의 준최적 설계를 담당하며, 이 과정에서 각 아크의 삼차원 좌표를 유한 푸리에 급수 형태로 표현한 뒤 비선형 계획법으로 푸는 방식의 형태 기반 접근법을 사용한다. 한편, 외부 레벨에서는 LTGA 궤적의 주요한 파라미터(발사, 스윙바이, 도착 시각 및 스윙바이 파라미터)와 내부 레벨 최적화에 필요한 각 아크의 경계조건 설정용 파라미터를 메타휴리스틱 알고리즘을 통해 탐색한다. 이중 레벨 최적화 프레임워크를 이용해 연료최적 LTGA 궤적설계 문제에 접근함으로써, 저추력 추진계의 추력 제한조건을 좀 더 현실적으로 반영하면서도, 동시에 넓은 탐색 영역 내에서 전역 최적 해를 탐색할 수 있다. 본 논문에서는 이중 레벨 중첩 최적화 프레임워크의 단점 중 하나인 높은 계산 요구량을 개선하기 위해, 외부 레벨 최적화 문제와 해당 문제를 풀 때 사용하는 메타휴리스틱 알고리즘에 초점을 두었다. 본 연구에서 새로이 제안하는 방식으로 외부 레벨 최적화 문제를 정의하기 위해, 내부 레벨 최적화 문제(아크 설계 문제)에서 기존 연구에서 채택한 랑데부형 아크 대신, 아크 도착 지점에서의 속도 경계조건이 아예 정의되지 않거나 느슨하게 정의되는 인터셉트형 아크를 채택하였다. 이러한 인터셉트형 아크를 활용하여 외부 레벨 최적화 문제의 차원을 감소시킬 수 있으며, 이로 인한 탐색 공간의 축소는 LTGA 궤적 해 탐색 효율을 높여, 결과적으로 좋은 LTGA 궤적을 더 효율적으로 찾을 수 있을 것으로 기대하였다. 외부 레벨 최적화를 수행하는 메타휴리스틱 알고리즘의 선택에 따라서도 최적화 성능이 큰 영향을 받으므로, 다수의 메타휴리스틱(유전 알고리즘, 입자 군집 최적화, 차등 진화) 중 어떤 알고리즘이 LTGA 궤적설계에 적합한지 분석하였다. 추가적으로, 외부 레벨 문제에 포함된 다수의 각도 변수의 탐색 범위를 메타휴리스틱 알고리즘 내에서 필요에 따라 적절히 변형하는 전략을 도입함으로써, 메타휴리스틱의 추가적인 효율 향상을 도모하였다. 본 연구에서 새로이 제안한 인터셉트형 아크 기반 LTGA 궤적 문제 모델의 활용 및 메타휴리스틱 알고리즘의 적절한 선택을 통해 이중 레벨 최적화 프레임워크의 궤적설계 성능이 얼마나 개선되는지 분석하기 위해, 1회 또는 2회의 스윙바이가 포함되는 6종의 벤치마크 궤적설계 문제를 정의하였다. 외부 레벨 문제 모델을 변경하며 정의된 벤치마크 문제를 풀어본 결과, 새로 제안한 인터셉트형 아크 기반 LTGA 궤적 문제 모델을 활용하여 전반적으로 더 좋은 품질의 LTGA 궤적 해를 더 효율적으로 찾을 수 있다는 점을 확인하였다. 한편, 비교한 메타휴리스틱 알고리즘 중 입자 군집 최적화 알고리즘과 차등 진화 알고리즘이 좋은 성능을 보였으며, 특히 본 논문에서 제안한 각도 변수 탐색 범위 번형 전략을 반영한 차등 진화 알고리즘을 활용해 빠른 계산 시간과 높은 궤적 품질 양쪽을 조화롭게 달성할 수 있음을 확인하였다. 추가적인 검증을 위해, 더 전통적인 LTGA 궤적설계 기법인 2단계 설계 프레임워크(매우 단순화된 방식의 궤적설계 수행 후, 이를 초기 추정 해로 삼아 좀 더 정밀하게 궤적설계를 수행하는 전략)와의 비교·검증을 수행하였다. 제안한 이중 레벨 최적화 프레임워크로 획득한 해는 기존 문헌에 알려진 2단계 설계 프레임워크의 해와 매우 유사하였으며, 일부 사례에서는 2단계 설계 프레임워크의 해보다 더 낮은 연료량을 요구하는 해를 발견할 수 있었다. 또한, 2단계 설계 방식에서 필수적으로 요구되는 정밀 궤적설계 단계 없이도, 삼차원 동역학과 탐사선 추력계 제원을 잘 반영한 궤적설계를 수행할 수 있다는 장점을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서 새로 고안한 문제 모델을 활용하고 적절한 메타휴리스틱 알고리즘을 선택함으로써, 이중 레벨 중첩 최적화 프레임워크 기반 LTGA 궤적설계 효율성을 향상시킬 수 있으며, 제시한 궤적설계 전략이 저추력 추진계를 탑재한 태양계 탐사선의 초기 궤적설계에 충분히 활용될 수 있음을 확인하였다.

Uncertainties in inferred galaxy properties from SED fitting with JWST NIRCAM photometry

Choe, Jiyoung 연세대학교 일반대학원 2025 국내석사

Many high-z galaxies have recently been detected with the James Webb Space Telescope (JWST), providing a better understanding of the evolution of the early universe. The physical properties of these galaxies are often inferred from spectral energy distribution (SED) fitting, but it is unclear how accurate this process is for such early galaxies. To address this issue, we use simulated SEDs at z=6 from the SPHINX20 cosmological simulation and employ BAGPIPES to quantitatively estimate the uncertainties in the recovered stellar masses, star formation rates, and stellar metallicities from mock observations with JWST NIRCam photometry. Even without dust and emission lines, we find that intrinsic stellar continuum fitting can overestimate stellar masses by 0.2 dex on average (up to 0.7 dex in low-mass galaxies), due to age and metallicity degeneracies. Dust and nebular emission further exacerbate these biases, with emission lines alone causing mass uncertainties by 0.1 dex on average, primarily by altering the inferred stellar population. Including bands that do not contain strong emission lines, such as F410M, reduces the overestimation of stellar mass to within 0.7 dex by separating the effects of emission lines from the contribution of old stars. We also find that adopting a best-fit model or likelihood-weighted estimates yields more accurate properties. Finally, while the stellar mass functions are reasonably recovered, the star formation main sequence varies significantly depending on the chosen fitting models. Our results underscore the importance of careful modeling choices when interpreting high-redshift photometric data, particularly for galaxies that are emission-line-dominated or low-mass with recent bursts of star formation. 최근 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 관측을 통해 다수의 고적색편이(high-z) 은하들이 발견되면서 초기 우주 진화에 대한 이해가 크게 향상되었다. 이러한 은하들의 물리적 특성은 일반적으로 스펙트럼 에너지 분포(SED) 피팅을 통해 추정되지만, 이 방법이 초기 은하에 대해 얼마나 정확한지는 명확하지 않다. 본 연구에서는 z=6에서의 SPHINX20 우주론적 시뮬레이션으로부터 생성한 모의 SED를 바탕으로, JWST NIRCam 관측을 모사한 광도를 BAGPIPES 코드로 피팅하여, 복원된 별질량, 별생성률, 별금속도에 대한 불확실성을 정량적으로 평가한다. 먼지와 방출선을 포함하지 않은 경우에도, 나이와 금속도의 퇴적성(age–metallicity degeneracy)으로 인해 순수한 항성 연속광만으로 피팅하더라도 평균 0.2 dex, 저질량 은하에서는 최대 0.7 dex까지 별질량이 과대추정될 수 있음을 확인하였다. 먼지 소광과 성운 방출선은 이러한 편향을 더욱 심화시키며, 특히 방출선만으로도 평균 0.1 dex 수준의 질량 추정 오차를 유발하며 이는 젊은 항성인구에 대한 해석을 왜곡하는 결과로 이어진다. F410M과 같이 강한 방출선을 포함하지 않는 관측 밴드를 함께 사용할 경우, 방출선과 오래된 별의 기여를 분리할 수 있어 별질량 과대추정을 0.7 dex 이내로 억제할 수 있다. 또한, best-fit 모델이나 likelihood 가중 평균을 사용할 경우 물리량 복원 정확도가 향상되는 경향을 보였다. 마지막으로, 별질량함수는 비교적 잘 복원되는 반면, 별형성 주계열(star formation main sequence)은 선택된 피팅 모델에 따라 큰 차이를 보였다. 본 연구는 특히 방출선이 강하거나 최근 폭발적인 별형성을 겪은 저질량 은하의 경우, 고적색편이 관측자료를 해석할 때 모델 선택에 있어 신중한 접근이 필요함을 강조한다.

Investigating the origin of the bent jet structure of J0121+1149 using KVN and VLBA observations

Yeo, Soyeon 연세대학교 일반대학원 2026 국내석사

초거대 질량 블랙홀은 대부분의 은하 중심에 존재하는 것으로 알려져 있으며, 이들 중 일부는 강력한 상대론적 제트를 분출한다. 이러한 제트는 중심 엔진으로부터 수십 배에 이르는 넓은 거리 범위에 걸쳐 높은 집속성을 유지하는 동시에, 제트 내부에 충격파와 자기유체역학적 불안정을 포함하고, 파섹에서 킬로파섹 규모에 이르기까지 뚜렷한 진행 방향의 변화를 보이기도 한다. 특히 파섹 스케일에서 굽은 모습을 보이는 제트의 경우, 그 형태가 중심 엔진의 기하학적 구조, 제트 내부의 불안정성, 주변 매질과의 상호작용 중 어느 요인에 기인하는지에 대해서는 여전히 명확히 알려져 있지 않다. 더 나아가 이러한 과정들이 제트의 방출 및 장거리에 걸친 전파 메커니즘과 어떻게 연결되어 있는지도 충분히 알려져 있지 않다. 국제천구기준좌표계는 역사적으로 S/X(2/8 GHz) 대역 관측을 통해 선정된 밀집한 보정원(calibrator)들을 기반으로 구축되어 왔다. 그러나 최근 이들 중 일부는 더 높은 주파수(23 GHz)에서 관측할 경우 보다 복잡하고 확장된 구조를 지닐 수 있으며, 이에 더 이상 관측 보정원으로 사용하기에 적합하지 않음이 밝혀진 바 있다. 본 연구에서 다루는 J0121+1149는 이러한 천체 중 하나로, 본 연구에서는 J0121+1149의 휘어진 제트 구조를 정밀하게 규명하고 그 형상을 일으키는 물리적 기작을 알아보고자 한다. 이를 위해 2017년 1월부터 2019년 6월 사이에 관측된 22/43 GHz 다주파수 동시 관측 KVN 자료와 Very Long Baseline Array(VLBA)의 23\,GHz 관측 자료를 사용하였다. 고주파수 자료에 대해 이미징을 수행하고, 베이시안 확률 분포를 기반으로 하는 가우시안 모델 피팅을 적용한 결과, 23 및 43 GHz에서 J0121+1149가 명확한 휘어진 제트 구조를 보임을 확인하였다. 또한 모델 피팅으로 얻은 개별 구성 요소들의 시간에 따른 밝기 변화를 분석한 결과, 제트의 굽은 영역에 위치한 구성 요소이자 상대적으로 제트 하류에 해당하는 C2 영역의 밝기가 2018년 중반에 제트 상류에 위치한 C1 영역보다 밝아지는 것을 발견하였다. 이러한 결과를 토대로 우리는 J0121+1149 제트의 휘어진 구조를 설명하기 위한 다음의 두 가지 가능한 시나리오를 제안한다. (i) 고유 세차 운동을 하는 제트 내부에서 진행하는 이동 충격파(moving shock)가 정지 충격파(standing shock)와 상호작용하는 경우, (ii) 제트가 주변 매질과 상호작용하면서 진행 방향이 굽어지고 하류 제트 영역이 동시에 밝아지는 경우. 한편 J0121+1149 제트의 굽은 구조를 규명하는 과정에서, 지금까지 보고된 바 없던 고주파 영역에서의 J0121+1149 제트 구성 요소들의 운동학적 파라미터를 도출하였으며, 약 30년에 걸친 VLBA 광도 곡선 자료를 이용해 장주기 변동성을 탐색한 결과 이 천체가 약 10.6년 정도의 주기성을 가질 가능성을 확인하였다. 제안한 두 시나리오를 보다 직접적으로 구분하기 위해서는 편광 관측 정보가 필수적이며, 따라서 J0121+1149에 대한 장기, 고분해능, 다주파수, 편광 VLBI 모니터링 관측이 수행된다면, J0121+1149 제트의 방출 및 전파 메커니즘에 대한 물리적 이해를 한층 심화할 수 있을 것으로 기대한다. 이는 궁극적으로 J0121+1149와 유사한 굽은 형태를 지니는 AGN 제트들의 형성과 전파를 지배하는 물리 메커니즘을 제약하는 데에도 중요한 단서를 제공할 수 있을 것이다. Supermassive black holes (SMBHs) are now known to reside at the centers of most galaxies, and a fraction of them launch powerful, relativistic jets. These jets remain highly collimated over several orders of magnitude in distance from the central engine, yet they host internal shocks and magnetohydrodynamic instabilities and often exhibit pronounced changes in direction from parsec to kiloparsec scales. In particular, it is still unclear to what extent such bending is driven by the geometry of the central engine (e.g. disk or jet precession, binary SMBHs), by instabilities within the flow, or by interactions with the ambient medium. Moreover, how these processes are linked to jet launching and the maintenance of collimation over large distances remains an open question. J0121+1149 is one such source, whose jet propagation direction varies markedly from parsec to kiloparsec scales. In this study, we select J0121+1149 as our primary object and investigate its bent-jet structure to constrain the physical mechanisms responsible for its peculiar morphology. We use (quasi-)simultaneous multi-frequency Korean VLBI Network (KVN) observations at 22 and 43 GHz, together with Very Long Baseline Array (VLBA) observations at 23 GHz, obtained between January 2017 and June 2019. We perform high-frequency imaging and Bayesian Gaussian model fitting to the complex visibilities and closure phases. For the KVN 43 GHz data we adopt a three-component model (C1, C2, and C3), and for the VLBA 23 GHz data we use a five-component model (C1a, C1b, C1c, C2, and C3). Both the best-fitting models and the reconstructed images reveal a clearly bent milliarcsecond-scale jet, with the intermediate component C2 located at the bend. The non-zero, structured closure phases provide independent confirmation that the source departs from a simple straight core–jet geometry. By tracking the flux-density evolution of the individual components, we find that in mid-2018 the downstream component C2, located in the bending region, temporarily becomes brighter than the upstream core component C1. Based on these results, we propose two plausible scenarios to explain the bent jet structure of J0121+1149: (i) interaction between a moving shock and a standing shock in a jet undergoing intrinsic precession, and (ii) interaction between the jet and the external medium that deflects and brightens the downstream jet region. In addition to characterizing the bent jet morphology, we derive high-frequency jet kinematic parameters for J0121+1149, which have not previously been reported for this source. We also use a three-decade VLBA flux-density curve to search for long-term variability and find evidence consistent with a possible ~10.6 yr periodicity. To more directly discriminate between the two proposed scenarios, future polarization VLBI observations will be particularly important. Overall, our results underscore that long-term, high-resolution, multi-frequency, polarization VLBI monitoring of J0121+1149 will be essential for tracing the evolution of its inner jet and for refining the physical picture of its launching and propagation. Such observations will not only clarify the origin of the bending in J0121+1149 but also provide valuable insights on the mechanisms that shape similarly bent AGN jets.

Probing Signatures of Gas Accretion in Galaxies with High Cool-Gas Fractions

Lee, Kibeop 연세대학교 일반대학원 2026 국내석사

우주론적 시간척도에서 은하가 지속적으로 진화하고 별 형성을 유지하기 위해서는 가스 유입(gas accretion) 과정이 필수적으로 동반되어야 한다. 그러나 이러한 가스 유입이 실제로 진행되는 현장을 직접적으로 포착하는 것은 관측적으로 매우 어려운 과제로 남아있다. 중성수소 (H I) 가스는 은하가 겪는 환경적 상호작용과 외부 물질 유입의 흔적을 민감하게 반영하는 것으로 알려져 있기에, 중성수소량이 비정상적으로 높은 은하들은 최근 가스를 공급받았을 가능성이 높은 시스템으로 간주할 수 있다. 본 연구는 비교적 근거리에 위치한 (z~0.05) 중성수소 가스량이 비정상적으로 높은 10개의 거대 나선 은하들, 이른바 `Cool-Gas Monsters’을 대상으로 진행하였다. 본 연구의 주된 목적은 Karl G. Jansky Very Large Array(JVLA)의 21cm 방출선 자료를 분석하여 이들 은하에 존재하는 H I 가스의 운동학적 특성을 정량적으로 분석하고 최근 가스 유입의 증거를 규명하는데 있다. 관측 큐브 자료로부터 H I 분포와 속도장을 구축한 뒤, 성간물질이 은하 중심을 기준으로 축대칭적인 회전운동을 한다는 가정하에 3차원 운동학 모델을 생성하였다. 이 모델을 관측 속도장과 비교하여 비축대칭 성분을 분석한 결과, 다수의 cool-gas monsters 은하에서 축대칭에 반하는 운동 성분이 별 원반 외부에 유의미하게 존재함을 확인하였다. 해당 영역에서 H I 표면밀도 또한 상대적으로 증가한 경향을 보인다. 이는 은하의 내부 메커니즘만으로는 설명하기 어려운 현상으로 해석된다. H I 가스에 대한 중력적 안정성 테스트 결과, 이들 은하의 H I 가스는 회전 및 난류에 의한 내부 압력만으로는 완전히 지탱되기 어렵고, 최소한 일부 성분은 외부로부터 유입된 것으로 보인다. 본 연구의 결과는 cool-gas monsters가 비교적 최근에 외부로부터 가스 유입을 겪었음을 지지한다. 유입된 가스의 일부가 H I 가스의 형태로 외곽에 분포하며, 외부 기원 가스가 아직 완전히 원반 내로 정착되지 않았기에 비축대칭 성분이 은하 바깥쪽에서 두드러지게 나타나는 것으로 해석된다. 따라서 가스 유입은 대략 10억 년을 넘지 않는 시점에서 일어났을 가능성이 높다. 총 10개의 은하 중 두 은하는 각각 과거에 조석 상호작용을 겪었거나 현재에도 그러한 상호작용을 받고 있는 것으로 보인다. 이들을 제외하면, 가장 가능성이 높은 가스 유입 경로는 은하를 둘러싼 외곽 영역(circumgalactic medium; CGM)에 존재하는 고온 가스의 냉각 및 응축 과정일 것으로 추정된다. Gas accretion is a fundamental process required to sustain galaxy evolution over cosmic time, yet direct capture of the ongoing gas accretion onto galaxies has been observationally challenging. H I-rich galaxies are often used as indirect tracers of this process. In this context, we present the "Cool-Gas Monsters", a sample of 10 massive spiral galaxies at z~0.05 that exhibit unusually large H I gas mass. We examine the possibility of recent gas accretion by analyzing the H I gas kinematics of the cool-gas monsters using JVLA 21cm line observation data. Assuming axisymmetric gas motions, we construct 3D models that reproduce the bulk, rotational component of the observed velocity field, although significant non-axisymmetric residual persists. Most asymmetric gas is located outside the star forming disk, where the gas surface density profiles are also enhanced. Based on gravitational stability analysis, we find that the entire H I gas in these galaxies cannot be fully supported by internal dynamical support from rotation and turbulent pressure, indicating an external origin of at least some fraction. These results suggest that the cool-gas monsters have experienced recent gas accretion. The accreted H I gas appears to reside mainly in the outer regions, and the pronounced non-axisymmetric features in the outer parts can be interpreted as signatures of externally supplied gas that has not yet fully settled onto the disk. Therefore, we suggest ≲ 1 Gyr since the accretion event. For two galaxies, the observed features suggest that they have experienced tidal interactions in the past or are still undergoing at present. Excluding these two systems, the most plausible gas accretion channel is the condensation of hot gas from the circumgalactic medium.

Reciprocal Evolution of Satellite Galaxies and Their Environments Across Cosmic Time in Cosmological Simulations

Jeon, Seyeong 연세대학교 대학원 2026 국내박사

The Lambda cold dark matter cosmology (ΛCDM) successfully explains the formation and evolution of large-scale structures in the Universe. However, on smaller galactic scales, tensions and open questions remain regarding the discrepancy between theoretical predictions and observations. In particular, the complex interactions between galaxies and their environments, as well as their impacts on galaxy evolution, are not yet fully understood. Satellite galaxies are ideal laboratories for studying these interactions. Based on a suite of cosmological hydrodynamical simulations, this thesis addresses three key questions regarding the reciprocal evolution of satellite galaxies and their environments: (1) How does the group/cluster environment affect the star formation histories, quenched fractions, and quenching timescales of satellite galaxies? (2) Under what conditions do low-mass dark matter subhalos succeed or fail to host luminous galaxies, and how can we understand the missing satellite problem from the perspectives of baryonic physics and environment? (3) How do satellites contribute to the evolution of their host clusters, and how can we trace their assembly histories through the luminous components? Since these questions address different physical scales and processes, we employ a multiscale simulation suite strategy, rather than relying on a single simulation. We utilize HORIZON-AGN for large-scale statistical analysis, NEWHORIZON and NEWHORIZON2 for high-resolution studies at the Local Group scale, and NEWCLUSTER for detailed investigations at the cluster scale. We also consistently identify structures across all simulations using the robust halo finder, ADAPTAHOP. First, using HORIZON-AGN, we investigate how dense environments affect the star formation histories (SFHs), quenched fractions, and quenching timescales of satellite galaxies compared to field galaxies. We find that environmental quenching has a cumulative effect on the SFHs of lowmass satellites, while high-mass satellites are barely affected. Star formation is suppressed more rapidly when the stellar mass of the satellite is lower, the host halo mass is larger, and the time since infall (TSI) is longer. We demonstrate that the quenching timescale and SFHs of satellites can be predicted based on the stellar-to-halo mass ratio and their positions in the projected phase space. Furthermore, the different shape of the SFHs between cluster and field satellites naturally exhibit the “transition epoch” at a specific cosmic time, indicating a theoretical prediction of the reversal of the star formation–density relation. Second, we explore the formation of satellite galaxies using NEWHORIZON and NEWHORIZON2. In these simulations, while the number of low-mass satellites near Milky Way-like systems is consistent with observations, many subhalos remain dark and starless, turning the main focus of the missing satellite problem into understanding the origin of these “starless” halos, rather than the overabundance of subhalos. We find that the primary driver for the origin of starless halos is not post-infall environmental effects or supernova feedback, but rather the suppression of gas cooling due to the combined effects of primordial environment and cosmic reionization. They are born in low-density and low-accretion regions where the gas fails to condense before reionization; thus, they are “born to be starless.” By considering these baryonic physics and primordial environmental effects, the tension in the classical missing satellite problem is substantially alleviated. Finally, we shift our perspective to regard satellite galaxies not as passive objects but as active builders that reshape their environments. Using NEWCLUSTER, we trace the formation of the brightest cluster galaxy (BCG) and the intracluster light (ICL), a fossil record of the assembly history of galaxy clusters, through the stripping and disruption of satellite galaxies at high resolution. We introduce an origin-based classification scheme for the BCG+ICL components: stripped, disrupted, in-situ, and preprocessed. In particular, we highlight the novel approach to identify the preprocessed component, which resembles the DM distribution and kinematics, highlighting its important prospect in tracing the assembly history of galaxy clusters. We further show that the stripped stellar mass and the buildup of the ICL correlate strongly with orbital parameters such as TSI, minimum pericenter distance, and the number of orbits. In summary, we demonstrate that the group/cluster environment regulates the SFHs of low-mass satellites, the primordial conditions and reionization determine whether satellites can form or not, and the orbits and tidal stripping of satellites reshape the structure of clusters, leaving behind the ICL as a fossil record. These findings do not represent stand-alone results, but rather collectively illustrate the reciprocal evolution process in which satellite galaxies and their environments exchange mass and energy in the broad physical sense during their co-evolution. Through this refined investigation of baryonic physics in a cosmological context, we show that the ΛCDM paradigm can naturally explain some small-scale tensions and open questions proposed above without modifying the nature of dark matter. ΛCDM 우주론은 성공적으로 우주 거대 구조의 형성과 진화를 설명해 왔다. 그러나 작은 은하 규모에서 이론적 예측과 관측 간의 불일치가 존재하고, 이에 대한 다양한 논의와 미해결 질문이 남아있다. 특히, 은하와 그 주변 환경 간의 복잡한 상호작용과 이에 따른 은하 진화에 미치는 영향은 아직 완전히 이해되지 않았다. 위성 은하는 이러한 상호작용을 연구하기에 이상적인 실험실이다. 우리는 이 학위 논문에서 우주론적 유체역학 시뮬레이션들을 기반으로, 위성 은하와 환경 사이의 상호 진화에 관한 세 가지 주요 질문을 다룬다: (1) 은하군/은하단 환경이 은하의 별 생성 역사, 별 생성 억제 비율, 별 생성 억제 시간 척도에 어떻게 영향을 미치는가? (2) 어떤 조건 하에 낮은 질량의 암흑물질 위성 헤일로가 은하를 형성하거나 형성하지 못하는가? 또한 우리는 어떻게 바리온 물리와 환경의 관점에서 잃어버린 위성 은하 문제를 이해할 수 있는가? (3) 위성 은하는 그들의 모 은하단의 진화에 어떻게 기여하며, 우리는 어떻게 관측 가능한 구성 요소를 통해 은하단의 진화 역사를 추적할 수 있는가? 이 질문들은 각각 다양한 물리적 규모와 과정을 다루기에, 우리는 단일 시뮬레이션에 의존하기보다는 여러 규모의 시뮬레이션 조합을 채택하였다. 대규모 통계 분석을 위해 Horizon-AGN을, 국부 은하군 규모의 고해상도 분석을 위해 NewHorizon과 NewHorizon2를, 은하단규모의 상세한 연구를 위해 NewCluster을 활용하였다. 또한, 모든 시뮬레이션에서 검증된 은하/헤일로 탐색 코드인 AdaptaHOP을 사용하여 일관되게 구조를 식별하였다. 먼저, Horizon-AGN을 사용하여 고밀도 환경이 위성 은하의 별 생성 역사, 별 생성 억제 비율, 별 생성 억제 시간 척도에 어떻게 영향을 미치는지 조사하였다. 우리는 환경적 억제가 높은 질량의 은하에는 거의 영향을 미치지 않는 반면, 낮은 질량의 은하의 별 생성 역사에 누적된 영향을 주는 것을 확인하였다. 별 생성은 위성 은하의 별 질량이 낮고, 모 암흑헤일로 질량이 크고, 유입 이후 시간이 길수록 더 빠르게 억제된다. 우리는 위성 은하의 별 생성 억제 시간 척도와 별 생성 역사가 별 질량 대 암흑헤일로 질량 비율과 이차원상 투영된 위치–속도 위상 공간에서의 분포를 기반으로 예측될 수 있음을 보였다. 더 나아가, 은하단 은하와 필드 은하 간의 별 생성 역사 형태 차이로부터, 특정 우주 시점에서의 “전환 시기”가 자연스럽게 나타남을 확인했고, 이는 그간 알려진 별 생성–밀도 관계 역전의 이론적 예측을 나타낸다. 다음으로, 우리는 NewHorizon과 NewHorizon2를 사용하여 위성 은하의 형성을 탐구하였다. 이 시뮬레이션들에서, 우리은하와 같은 은하계에서 낮은 질량 위성 은하의 수는 관측과 일치하지만, 많은 수의 위성 암흑헤일로가 별이 없는 상태로 남아있고, 이는 잃어버린 위성 은하 문제의 주요 초점이 위성 암흑헤일로가 너무 많은 (혹은, 위성 은하가 너무 적은) 문제가 아니라 어떻게 암흑 헤일로가 별이 없는지를 밝히는 것으로 옮겨가야 한다는 것을 의미한다. 우리는 별이 없는 헤일로의 주요 형성 기원이 유입 이후 궤도 및 환경 효과나 초신성 피드백이 아니라, 형성 당시 원시 환경과 우주 재이온화의 복합적인 영향으로 인한 기체 냉각 억제임을 발견하였다. 이들은 재이온화 이전에 기체가 충분히 응축되지 못하는 저밀도, 저강착 영역에서 태어나기 때문에, “모태무성” 상태인 것이다. 이렇게 바리온 물리와 원시 환경 효과를 고려함으로써, 고전적인 잃어버린 위성 은하 난제는 상당히 완화되고 해결된다. 마지막으로, 우리는 위성 은하를 수동적인 존재가 아닌 환경을 재구성하는 능동적인 존재로 보는 관점으로 전환하겠다. NewCluster을 사용하여, 우리는 은하단의 형성 역사의 그 일종의 화석 기록인 은하단 중심 은하와 은하단내광의 형성을 위성 은하의 조석 박리와 붕괴 과정을 통해 추적하였다. 우리는 중심 은하 및 은하단내광 구성 요소를 기원에 따라 벗겨진 (stripped), 부서진 (disrupted), 내부 생성된 (in-situ), 전처리된 (preprocessed) 성분으로 구분하는 분류법을 도입하였다. 특히, 전처리 별들은 이 연구의 새로운 분류법으로 연구되었으며, 이들은 암흑물질 분포 및 운동학과 유사하여 은하단의 형성 역사를 추적하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 우리는 더 나아가 벗겨진 별 질량과 은하단내광의 축적이 위성은하의 유입 이후 시간, 최소 근지점 거리, 궤도 수와 같은 궤도 매개변수와 강한 상관관계를 가짐을 보였다. 결론적으로, 우리는 은하군/은하단 환경이 낮은 질량 위성 은하의 별 생성 역사를 조절하고, 원시 환경과 재이온화가 위성 은하의 형성 여부를 결정하며, 위성 은하의 궤도와 조석 박리가 은하단의 구조를 재형성하여 은하단내광이라는 화석 기록을 남긴다는 것을 보여주었다. 이러한 발견들은 별개의 결과가 아니라, 위성 은하와 그 환경이 성장하는 과정에서 질량과 에너지를 교환하는 “상호 진화” 과정임을 종합적으로 보여준다. 우리는 우주론적 맥락에서 바리온 물리를 정밀하게 조사함으로써, ΛCDM 우주론이 암흑물질의 성질을 수정하지 않고도 일부 작은 규모의 난제와 미해결 질문들을 자연스럽게 설명할 수 있음을 보였다.

Numerical Simulations of Star Formation and Feedback in Globular Clusters and Disk Galaxies

한다니엘 연세대학교 일반대학원 2026 국내박사

Star formation in galaxies is a multiscale process. While the global gas reservoir is depleted slowly over Gyr timescales, individual giant molecular clouds (GMCs) evolve and disperse within a few dynamical times. This stark contrast between the long global depletion times and short cloud free-fall timescales highlights our incomplete understanding of how cloud-scale physics and stellar feedback combine to regulate star formation at the galactic scale. This thesis investigates the physics of star formation and feedback, with the aim of clarifying the lifecycles of GMCs and star clusters while maintaining self-regulated star formation in galaxies. In Chapter 3, we explore the formation of massive, compact clusters in simulations of colliding turbulent GMCs. Using 0.125–0.25 pc resolution simulations of a head-on collision between two $3.6\times10^5\,\msun$ clouds, we show that cloud–cloud collisions in high-pressure environments can plausibly produce a globular-cluster-like object with a mass of $\sim10^5\,\msun$. We demonstrate that early radiative feedback, especially photoionization heating, is essential for regulating cluster growth and preventing self-enrichment. When this early feedback is neglected, the resulting cluster becomes more massive and exhibits significant metallicity spreads. Chapter 4 presents simulations of an NGC 300-like disk galaxy and examines how two contrasting star formation models--one based on widely used gravo-thermo-turbulent (GTT) conditions and the other on sink particles--shape GMC evolution and the global galaxy properties. By constructing gas-clump evolutionary trees, we quantify GMC lifetimes, star-forming timescales, and clump-scale star formation efficiencies (SFEs). Although both runs with feedback broadly reproduce the observed Kennicutt--Schmidt relation, they differ markedly in their GMC lifecycles and local SFEs. The sink particle model yields short GMC lifetimes ($\sim$20–30 Myr) and low integrated SFEs consistent with observations, whereas the GTT model produces a significant population of long-lived clumps ($\gtrsim200$ Myr) owing to inefficient clump-scale star formation and therefore ineffective supernova feedback. These results demonstrate that the adopted star formation model is a first-order driver of GMC lifecycles. In Chapter 5, we apply the tuning-fork analysis to link these simulated GMC lifecycles to their observable scale-dependent correlation between molecular gas and recent star formation in an NGC 300-like galaxy. Using synthetic H$_2$ and H$\alpha$ maps, we perform a meta-analysis over hundreds of snapshots to infer representative gas lifetimes ($t_\mathrm{gas}$), overlap timescales, separation lengths ($\lambda$), and their uncertainties. In the sink-based simulations, the tuning-fork method recovers short gas lifetimes, brief overlap phases, and small gas-to-star coexistence fractions--broadly consistent with measurements in NGC 300 and other nearby galaxies. In contrast, the GTT runs exhibit a strongly enhanced small-scale gas–star correlation and a much weaker tuning-fork opening, yielding very long inferred gas lifetimes ($t_\mathrm{gas}\simeq200$–300 Myr) and large $\lambda$. These results demonstrate that the tuning-fork analysis is highly sensitive to clump-scale SFE and early feedback, offering a stringent test for subgrid star formation prescriptions in galaxy simulations that complements traditional comparison methods using galaxy-wide scaling relations. Taken together, this thesis shows that accurately capturing clump-scale star formation and early feedback is essential for reproducing realistic GMC lifecycles and globular clusters, and it highlights the path toward next-generation galaxy simulations that more faithfully bridge cloud-scale physics with galaxy-scale star formation. 은하 내 별 생성은 다중 규모에서 일어나는 물리 과정이다. 은하 전역의 기체는 수십억 년 규모의 긴 시간에 걸쳐 서서히 고갈되는 반면, 개별 거대 분자운은 수차례의 동역학적 시간 내에 진화하고 소멸한다. 긴 전역 기체 소모 시간 척도 대비 거대 분자운의 진화 시간 규모가 크게 다르다는 사실은 분자운 규모의 물리와 결합한 항성 피드백이 어떻게 별 생성을 조절하는지에 대한 이해가 필요함을 역설한다. 본 학위논문에서는 별 생성과 피드백 물리를 탐구함으로써, 은하 규모에서의 자가 조절적 별 생성을 유지하는 동시에 거대 분자운과 성단의 생애주기를 규명하고자 하였다. 3장에서는 난류를 포함한 거대 분자운 간의 충돌 수치 실험을 통해 질량이 크고 밀집한 성단의 형성 과정을 연구하였다. 0.125-0.25 pc 해상도에서 각각의 질량이 $3.6\times10^{5}\,\msun$인 두 분자운의 정면충돌을 모사하고, 고압 환경에서의 분자운 간 충돌이 $\sim10^{5}\,\msun$ 질량의 구상성단 후보 천체를 형성할 수 있음을 보였다. 특히 이온화 광자에 의한 복사 가열을 포함한 초기 복사 피드백이 성단의 성장을 조절하고 자가 금속 풍부화를 억제하는 데 필수적임을 입증하였다. 이러한 초기 피드백을 무시할 경우, 더 큰 질량과 유의미한 수준의 금속 함량 분산을 갖는 성단이 형성됨을 보였다. 4장에서는 NGC 300 유사 원반 은하의 수치 실험을 수행하고, 널리 사용되는 중력-열-난류 (GTT) 조건에 기반한 별 생성 모형과 Sink 입자 기반 모형이라는 두 별 생성 모형이 거대 분자운의 진화와 은하 전역 물리량을 어떻게 변화시키는지 살폈다. 거대 분자운의 수명, 별 생성 시간척도, 그리고 분자운 규모의 별 생성 효율을 정량화하기 위해 분자운 계통도를 구축하였다. 피드백을 포함한 경우, 두 별 생성 모형을 사용한 실험에서 모두 관측된 Kennicutt-Schmidt 관계가 대체로 재현되지만, 거대 분자운의 수명과 분자운 규모의 별 생성 효율은 크게 다르게 나타났다. Sink 입자 기반 모형은 관측과 일치하는 짧은 거대 분자운 수명($\sim20$-$30\,\myr$)과 낮은 적분 별 생성 효율을 산출하는 반면, GTT 모형은 분자운 규모의 비효율적 별 생성으로 인해 초신성 피드백이 충분히 효과적이지 못하고, 그 결과 수명이 $\gtrsim200\,\myr$에 이르는 분자운을 형성하였다. 이러한 결과는 별 생성 물리가 거대 분자운의 생애주기를 결정하는 가장 중요한 요인임을 보여준다. 5장에서는 tuning-fork 분석을 적용하여, NGC 300 유사 은하에서 모사된 거대 분자운의 생애주기와 기체분자-어린 별 사이의 규모 의존적 상관관계를 이해하고자 하였다. H$_2$ 및 H$\alpha$ 합성 지도를 사용하여 수백 개의 스냅숏에 대해 메타 분석을 수행함으로써, 분자운 수명($t_\mathrm{gas}$), 분자운-별 중첩 시간, 분리 길이의 대푯값과 그 불확실도를 측정하였다. Sink 입자 기반 모형을 사용한 실험에서는 tuning-fork 방법으로부터 짧은 분자운 수명과 중첩 시간, 그리고 작은 분자운-별 공존 비율이 도출되며, 이는 NGC 300 및 국부 은하에서의 관측 결과와 대체로 일치한다. 반면, GTT 모형을 사용한 실험에서는 작은 규모에서의 분자운-별 상관도가 높아지고, tuning-fork 곡선의 벌어짐이 크게 약화해, 매우 긴 분자운 수명($t_\mathrm{gas}\simeq 200$-$300\,\myr$)과 큰 분리 길이가 산출되었다. 이는 tuning-fork 분석이 분자운 규모의 별 형성 효율과 초기 피드백에 매우 민감하기 때문이며, 은하 수치 실험에서 사용하는 별 형성 모형을 엄밀하게 진단하는 도구로써, 전통적으로 사용했던 은하 전역적 상관관계 비교 방법을 보완할 수 있음을 보여준다. 종합하면, 본 학위논문은 분자운 규모에서의 별 생성과 초기 피드백을 정확하게 모사하는 것이 현실적인 거대 분자운 생애주기와 구상성단을 재현하는 데 필수적임을 보여주며, 분자운 규모 물리와 은하 규모의 별 형성을 더욱 충실하게 연결하는 차세대 은하 시뮬레이션으로 나아가는 방향을 제시한다.

Robust Model Predictive Control with Controller Matching: Application to Autonomous Rendezvous and Docking

Kang, Dae-Eun 연세대학교 일반대학원 2026 국내박사

This dissertation presents a novel robust predictive controller, Controller-Matching-based Robust Model Predictive Control (CM-RMPC), for spacecraft autonomous rendezvous and docking (AR&D) in Low Earth Orbit (LEO). AR&D missions require controllers that ensure robustness, optimality, and constraint adherence, but existing solutions like Tube-based Model Predictive Control (TMPC) are often too computationally intensive for resource-constrained spacecraft onboard computers. The proposed CM-RMPC is designed to achieve computational speeds significantly faster than TMPC while maintaining comparable control performance. CM-RMPC utilizes Controller Matching to integrate Linear Model Predictive Control (LMPC) with a state-feedback-form robust controller, specifically Adaptive Smooth Control (ASC) based on Sliding Mode Control (SMC). This approach enables the LMPC to inherit the robustness of ASC while efficiently handling state and input constraints inherent to the AR&D mission. Computational efficiency is achieved by solving only one Linear Matrix Inequality (LMI) optimization for controller matching and one Quadratic Programming (QP) problem for LMPC per control step. The performance of CM-RMPC was benchmarked against Dynamic Tube Model Predictive Control (DTMPC), a TMPC variant conceptually similar due to its combination of SMC with MPC. Numerical simulations across three AR&D scenarios demonstrated that CM-RMPC achieved control performance comparable to DTMPC but with a 11-fold reduction in computation time. Furthermore, the practical applicability and robustness of CM-RMPC were validated through Hardware-in-the-Loop (HIL) simulations using a ground-based test-bed, where it achieved required performance despite unmodeled uncertainties. In conclusion, this research establishes CM-RMPC as a computationally efficient robust control strategy suitable for on-board spacecraft AR&D. Key contributions include the development of this fast and robust algorithm, the novel application of controller matching for this purpose, and the establishment of guidelines for its parameter tuning. 본 논문은 지구 저궤도(Low Earth Orbit, LEO)에서의 우주 비행체 자율 랑데부 및 도킹(Autonomous Rendezvous and Docking, AR&D)을 위한 새로운 강건 예측 제어기인 제어기 매칭 기반 강건 모델 예측 제어(Controller-Matching-based Robust Model Predictive Control, CM-RMPC)를 제시한다. AR&D 임무는 강건성, 최적성 및 제약 조건 준수를 보장하는 제어기를 필요로 하지만, 튜브 기반 모델 예측 제어(Tube-based Model Predictive Control, TMPC)와 같은 기존 방법들은 리소스가 제한된 우주 비행체 탑재 컴퓨터에 적용하기에는 종종 지나치게 연산 집약적이다. 제안된 CM-RMPC 는 TMPC 보다 훨씬 빠른 연산 속도를 달성하면서도 유사한 제어 성능을 유지하도록 설계되었다. CM-RMPC는 제어기 매칭(Controller Matching)을 활용하여 선형 모델 예측 제어(Linear Model Predictive Control, LMPC)를 상태 되먹임 형태의 강건 제어기, 특히 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control, SMC)에 기반한 적응형 매끄러운 제어(ASC, Adaptive Smooth Control)와 통합한다. 이 접근 방식은 LMPC 가 ASC 의 강건성을 이어받으면서 시스템 제약 조건을 효율적으로 처리할 수 있게 한다. 계산 효율성은 매 제어 스텝마다 제어기 매칭을 위한 선형 행렬 부등식(Linear Matrix Inequality, LMI) 최적화 문제와 LMPC 를 위한 이차 계획법(Quadratic Programming, QP) 문제를 한 번씩만 풀어냄으로써 달성된다. CM-RMPC 의 성능은 동적 튜브 MPC(Dynamic Tube MPC, DTMPC)와 비교 평가되었다. DTMPC 는 TMPC 의 한 종류로서 SMC 와 MPC 의 결합이라는 점에서 개념적으로 제안된 제어기와 유사하다. 세 가지 AR&D 시나리오에 대한 수치 시뮬레이션 결과, CM-RMPC 는 DTMPC 와 유사한 제어 성능을 달성하면서도 연산 시간은 11 배까지 단축하는 것으로 나타났다. 나아가, 지상 기반 테스트베드를 사용한 하드웨어 인 더 루프(Hardware-In-the-Loop, HIL) 시뮬레이션을 통해 CM-RMPC 의 실제 적용 가능성과 강건성이 검증되었으며, 모델링되지 않은 불확실성에도 불구하고 요구되는 성능을 달성하였다. 결론적으로, 본 연구는 CM-RMPC 가 우주 비행체 AR&D 임무 탑재에 적합한 계산 효율적인 강건 제어 전략임을 확립한다. 주요 기여점으로는 빠르고 강건한 알고리즘의 개발, 이러한 목적을 위한 제어기 매칭의 새로운 적용, 그리고 해당 알고리즘의 파라미터 설정 지침 확립 등이 있다.

RAMSES-RTZ를 이용한 O32와 라이먼 연속선 탈출률 간의 관계에 대한 탐색

송현우 연세대학교 일반대학원 2025 국내석사

라이먼 연속선은 초기 우주의 은하 간 물질을 이온화하여 별 생성을 억제하고 은하 진화에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 초기 우주의 높은 중성상태 은하 간 물질로 인해 은하에서 라이먼 연속선이 어떻게 은하를 탈출했는지 직접 연구하는 것은 어렵다. 그 대안으로 [O {\sc iii}]$\lambda$5007/[O{\sc ii}]$\lambda$3727 비율(O32)을 이용한 간접적인 추정방법이 제시되었으나 라이먼 연속선 탈출률과의 물리적인 인과관계가 명확하게 밝혀지지 않았다. 이 연구에서는 복사 유체역학 시뮬레이션 코드 RAMSES-RTZ를 이용하여 $10^5\,\msun$의 거대분자운을 최대해상도 0.2 pc으로 모사하는 수치실험을 수행하고, O32 비율과 라이먼 연속선 탈출률의 진화 과정 전반을 살펴보았다. 세 시뮬레이션 공통적으로 \fesc는 첫 별 입자 생성 이후 점진적으로 증가하였으나, O32 비율의 경우 0.1–12에서 복잡하게 변화하였다. 이는 수치 실험 중반부터 복사 피드백에 의한 물질 유출이 \OII의 방출률과 $n_{\rm O II}$을 비연속적으로 감소시키기 때문으로 확인되었다. 물질의 유출 양상은 별 형성이 얼마나 활발하게 발생하는지에 따라 달라지는데, 별을 빠르게 형성하는 수치실험일수록 높은 O32 비율을 보였다. 거대분자운 내에서 O32 비율과 \fesc의 상관관계는 기존의 이온화-경계 환경 vs 밀도-경계 환경의 이원적 시나리오와 달리 이온화-경계 단계(Ionization-bounded phase), 초신성에 의한 뜨거운 단계(Supernova driven hot phase) 두 단계의 연속적 진화과정으로 설명할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 $z\sim2$--$3$의 라이먼 방출 은하 관측데이터와 비교하고, \fesc와 O32 비율 사이에 양의 상관관계가 나타날 수 있는 가능성에 대해 토론하였다. The Lyman continuum radiation ionizes intergalactic medium in the early universe, suppressing star formation and directly affecting galaxy evolution. However, it is difficult to directly study how the Lyman continuum photons escape from galaxies due to the high neutral intergalactic medium in the early universe. As an alternative, an indirect proxy using the [O III]λ5007/[OII]λ3727 ratio (O32) has been suggested, but the physical relation to the Lyman continuum escape fraction has not been clearly understood. In this study, we perform numerical simulations of 105 M⊙ giant molecular clouds with a maximum resolution of 0.2 pc using the radiation hydrodynamics simulation code RAMSES-RTZ, and study the evolution of the O32 ratio and the Lyman continuum escape fraction. In all three simulations, fesc increased gradually after the first stellar particle formation, but the O32 ratio evolved complicatedly from 0.1 to 12. This was found to be due to the fact that from the middle of the numerical simulations, the outflow by radiation feedback causes a discontinuous decrease in the [OII] emissivity and nOII. The outflow depends on how actively star formation occurs. The numerical simulations with rapid star formation show higher O32 ratio. We find that the relation between the O32 ratio and fesc in giant molecular clouds can be explained by a continuous evolution of two phases of the ionization-bounded phase, and supernovae driven hot phase, in contrast to the traditional scenario of ionization-bounded vs. density-bounded. Finally, we compare our results with LyC leakers observations in z ∼ 2–3 and discuss the possibility of a positive relation between fesc and the O32 ratio.