기존 모델보다 100배 이상 넓은 공간 구현…초기 별·블랙홀과 재이온화 과정 재현

 

우주가 탄생한 초기 수십억 년 동안 은하와 별들이 어떻게 형성되고 진화했는지 살펴볼 수 있는 대규모 컴퓨터 시뮬레이션이 개발됐다. 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 관측한 초기 은하 자료와 비교해 우주 진화 이론을 검증하는 데도 활용될 전망이다.

 

국제 연구진이 개발한 시뮬레이션 ‘루미나(Lumina)’는 우주 초기의 중요한 변화인 재이온화 과정을 재현한다. 빅뱅 이후 최초의 별과 블랙홀에서 나온 자외선이 수소 원자를 이온화하면서 빛이 우주 공간을 더 멀리 통과할 수 있게 된 현상이다. 이 과정은 이후 은하가 형성되고 우주가 진화하는 데 중요한 영향을 미쳤다.

 

이번 연구는 학술지 *왕립천문학회 월간 보고(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)*에 발표됐다.

The Lumina simulation of the cosmic web shown at multiple scales. The full 1.63 billion light-year simulation (top right) shows areas where helium has changed into its modern form (red). The inset features a 32.62 million light-year subsection of the larger image, showing a galaxy-rich region. The four galaxies at the bottom are shown with their gas density (colour) and starlight (black and white). Oliver Zier/Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics via CNN Newsource

 

연구진에 따르면 루미나는 기존 시뮬레이션보다 100배 이상 넓은 공간을 다루면서도 개별 은하의 세부 구조까지 살펴볼 수 있도록 설계됐다. 한 변이 약 15억 광년에 이르는 규모로, 완성까지 약 3년이 소요됐다. 이를 위해 미국 오크리지 국립연구소의 슈퍼컴퓨터 ‘프론티어(Frontier)’에서 1만 5,000개 이상의 GPU가 활용됐다.

 

이번 연구의 주저자인 올리버 지어(Oliver Zier)는 루미나가 거대한 우주 구조와 은하의 분포뿐 아니라 개별 은하의 특성까지 함께 분석할 수 있다는 점을 주요 성과로 꼽았다.

 

관측 자료와 비교해 우주 진화 이론 검증

루미나의 또 다른 활용 분야는 이론과 실제 관측 결과의 비교이다. 연구진은 시뮬레이션으로 구현한 초기 우주의 모습을 제임스 웹 우주망원경 등으로 관측한 자료와 대조해 기존 이론이 얼마나 정확한지 확인할 수 있다.

 

관측 결과와 시뮬레이션이 다르게 나타난다면, 아직 밝혀지지 않은 물리적 현상이나 기존 모델에서 빠진 요소를 찾는 단서가 될 수도 있다.

 

이번 연구에 참여하지 않은 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스의 줄리안 무뇨스(Julian Muñoz) 교수는 루미나가 기존 연구보다 훨씬 넓은 공간과 긴 우주 역사를 다룬다는 점에서 기술적으로 의미 있는 성과라고 평가했다.

 

특히 초기 우주가 모든 지역에서 동일한 방식으로 변화한 것은 아니기 때문에, 대규모 시뮬레이션은 지역별 진화 과정과 일반 물질·암흑물질의 움직임을 비교하는 데 도움이 될 수 있다.

 

영국 서식스대학교의 일리안 일리예프(Ilian Iliev) 교수도 루미나가 기존 소규모 모델에서는 포착하기 어려웠던 희귀한 은하를 연구하는 데 기여할 것으로 기대했다.

 

루미나는 아직 전체 모델이 일반에 공개된 상태는 아니다. 연구진은 앞으로 망원경 관측 자료와 시뮬레이션을 함께 활용해 초기 은하의 형성과 우주 재이온화 과정을 더욱 구체적으로 밝혀나갈 계획이다.

 

 

*CTV뉴스의 글을 번역,편집한 것입니다.