GPU 1만5000개로 초기 우주 재현, 수소와 헬륨의 차이는?

초기 우주의 20억 년을 계산으로 재현한 대규모 시뮬레이션 ‘루미나(Lumina)’가 공개됐다. 하버드·스미스소니언 천체물리학센터와 텍사스대 댈러스 공동연구팀은 2026년 10월 26일 연구 결과를 국제학술지 《영국왕립천문학회 월간보고》에 발표했다.

루미나가 특히 주목받는 이유는 수소와 헬륨이 이온화된 과정에서 서로 다른 주역을 찾아냈기 때문이다.

초기 우주에서는 첫 별과 은하가 빛을 내면서 우주 공간의 중성 수소와 헬륨이 전자를 잃는 ‘재이온화’가 일어난 것으로 여겨진다. 하지만 넓은 공간에서 물질과 복사에너지의 상호작용까지 정밀하게 계산하기는 어려웠다.

연구팀은 암흑물질·일반 물질·복사에너지의 상호작용을 함께 계산하는 복사유체역학 시뮬레이션을 개발해, 한 변이 약 15억 광년인 정육면체 공간을 모사했다. 계산 부피는 비슷한 원리의 기존 시뮬레이션보다 100배 이상 크다.

미국 오크리지국립연구소의 슈퍼컴퓨터 ‘프런티어’에 탑재된 GPU 1만5000개 이상이 계산에 투입됐다. 기존 시뮬레이션과 달리 수소뿐 아니라 헬륨의 재이온화가 주변 물질의 온도·밀도와 은하 진화에 미치는 영향도 실시간으로 반영하도록 설계했다.

그 결과 수소 재이온화는 주로 별빛이, 헬륨 재이온화는 초대질량블랙홀이 주변 물질을 흡수하며 강한 복사에너지를 내는 활동은하핵(AGN)이 이끈 것으로 나타났다.

모형이 예측한 우주배경복사가 전자와 부딪혀 흩어진 정도는 유럽우주국 플랑크 우주망원경의 관측과 잘 맞았다. 은하 사이 가스의 온도와 이온화 정도도 기존 관측 결과와 대체로 일치했다.

연구팀은 루미나를 제임스웹 우주망원경과 지난달 관측을 시작한 낸시그레이스로먼 우주망원경의 자료와 비교해 우주 진화 이론을 검증하고, 초기 은하·블랙홀 형성과 가스 흐름을 분석하는 데 활용할 계획이다.