[논문 리뷰] Computing the minimal crew for a multi-generational space travel towards Proxima Centauri b

F. Marin, C. Beluffi|ArXiv.org|2018. 06. 11.

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한 줄 요약

이 논문은 프록시마 센타우리 b로 향하는 6,300년에 이르는 다세대 우주 비행 임무에 대해 HERITAGE 코드를 활용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 최소 생존 가능 인원수를 결정한다. 적응형 사회공학 원칙—연간 인구 평가, 자녀 수 제한, 엄격한 교잡 회피—를 적용함으로써, 임무 기간 내내 유전적으로 건강한 인구를 유지하기 위해 98명(49쌍의 번식 쌍)이 필요하다는 것을 발견했다. 이는 100% 성공률을 보장한다.

ABSTRACT

The survival of a genetically healthy multi-generational crew is of a prime concern when dealing with space travel. It has been shown that determining a realistic population size is tricky as many parameters (such as infertility, inbreeding, sudden deaths, accidents or random events) come into play. To evaluate the impact of those parameters, Monte Carlo simulations are among the best methods since they allow testing of all possible scenarios and determine, by numerous iterations, which are the most likely. This is why we use the Monte Carlo code HERITAGE to estimate the minimal crew for a multi-generational space travel towards Proxima Centauri b. By allowing the crew to evolve under a list of adaptive social engineering principles (namely yearly evaluations of the vessel population, offspring restrictions and breeding constraints), we show in this paper that it is possible to create and maintain a healthy population virtually indefinitely. A initial amount of 25 breeding pairs of settlers drives the mission towards extinction in 50 +/- 15% of cases if we completely forbid inbreeding. Under the set of parameters described in this publication, we find that a minimum crew of 98 people is necessary ensure a 100% success rate for a 6300-year space travel towards the closest telluric exoplanet known so far.

연구 동기 및 목표

• 6,300년에 이르는 다세대 간행성 간행성 비행 임무에서 장기적인 유전적 건강과 생존을 보장하기 위해 필요한 최소 인원수를 규명하는 것.
• 교잡, 불임, 갑작스러운 사망, 랜덤 사건과 같은 핵심 생물학적 및 인구통계적 요인이 인구 생존 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 연간 인구 평가 및 번식 제약과 같은 적응형 사회공학 원칙이 다세대에 걸쳐 건강한 인구를 유지하는 데 얼마나 기여하는지 평가하는 것.
• 스토케스틱 시뮬레이션을 통해 다양한 초기 인원수 설정에서의 임무 성공률을 정량화하는 것.
• 6,300년에 이르는 여정 기간 동안 100% 성공률을 달성하기 위해 필요한 최소 인원수를 과학적으로 근거를 제시한 추정치를 제공하는 것.

제안 방법

• 다세대 인구 역학을 다양한 확률적 사건 하에서 모델링하기 위해 HERITAGE 몬테카를로 시뮬레이션 코드를 사용하였다.
• 적응형 사회공학 규칙을 구현: 연간 인구 건강 평가, 강제로 자녀 수 제한, 엄격한 교잡 회피.
• 유전적 다양성을 유지하고 멸종 위험을 방지하는 데 중점을 두고 6,300년 간의 임무 기간을 시뮬레이션하였다.
• 다양한 초기 인원수에서의 인구 멸종 확률을 추정하기 위해 다수의 시뮬레이션 반복을 수행하였다.
• 모든 시뮬레이션에서 100% 성공률를 달성하는 데 필요한 최소 인원수를 결정하기 위해 통계 분석을 사용하였다.
• 완전한 교잡 금지의 영향을 평가하기 위해, 이러한 제약이 있는 경우와 없는 경우의 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6,300년에 이르는 프록시마 센타우리 b로 향하는 임무에서, 장기적으로 건강한 인구를 유지하기 위해 필요한 최소 인원수는 얼마인가?
• RQ2 교잡, 불임, 랜덤한 사망 사건과 같은 요소들이 다세대 우주 인구의 장기적 생존 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 연간 인구 평가 및 번식 제약과 같은 적응형 사회공학 원칙이 인구 붕괴를 얼마나 효과적으로 방지할 수 있는가?
• RQ4 교잡을 완전히 금지할 경우, 초기 25쌍의 번식 쌍(50명)으로 구성된 임무의 실패율은 얼마인가?
• RQ5 사회적 및 인구통계적 통제 조치의 포함 여부가 임무 성공을 위한 필수 인원수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 6,300년에 이르는 프록시마 센타우리 b로 향하는 임무 기간 동안 건강한 인구를 유지하기 위해 최소 98명(49쌍의 번식 쌍)이 필요하다.
• 초기 25쌍의 번식 쌍(50명)으로 구성된 임무는 교잡을 완전히 금지할 경우 약 50% ± 15%의 실패율을 보이며 멸종 위험에 노출된다.
• 적응형 사회공학 원칙—연간 인구 평가 및 번식 제약—의 적용은 장기적인 인구 안정성을 크게 향상시킨다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 엄격한 교잡 회피와 통제된 번식이 시행될 경우 유전적 다양성이 다세대에 걸쳐 유지될 수 있음을 입증하였다.
• 이 연구는 복잡한 실제 인구통계 및 생물학적 제약 조건 하에서 타당한 인원수를 정확히 추정하기 위해 스토케스틱 모델링이 필수적임을 확인한다.
• 결과적으로, 이 연구는 가장 가까운 알려진 외계행성인 프록시마 센타우리 b로의 간행성 비행을 위한 최소 인원수에 대해 과학적으로 근거가 되는 정량적 추정치를 제공한다.