GPU 1만5000개로 초기 우주 시뮬레이션 ‘루미나’, 관측과 무엇이 맞았나

미국 하버드·스미스소니언 천체물리학센터와 댈러스텍사스대 공동연구팀이 빅뱅 뒤 약 20억 년 동안의 우주 진화를 재현한 시뮬레이션 ‘루미나(Lumina)’를 개발했다. 연구 결과는 2026년 10월 26일 국제학술지 ‘영국왕립천문학회 월간보고’에 발표됐다.

핵심은 초기 은하와 별의 형성뿐 아니라, 그 빛이 우주의 기체를 어떻게 바꿨는지도 계산해 실제 관측과 대조할 수 있게 한 것이다.

초기 우주에서는 별과 은하가 내놓은 빛이 중성 수소와 헬륨에서 전자를 떼어내는 ‘재이온화’가 일어난 것으로 추정된다. 그러나 넓은 공간에서 물질과 복사에너지의 상호작용을 함께 계산하기는 어려웠다.

루미나는 오크리지국립연구소 슈퍼컴퓨터 ‘프런티어’의 GPU 1만5000개 이상을 사용해 한 변이 약 15억 광년인 정육면체 공간을 계산했다. 암흑물질·일반 물질·복사에너지의 상호작용을 다루며, 기존의 비슷한 시뮬레이션보다 계산 공간의 부피가 100배 이상 크다.

시뮬레이션은 수소 재이온화가 주로 별빛으로 진행됐고, 헬륨 재이온화는 초대질량블랙홀이 물질을 흡수하며 강한 복사에너지를 내는 활동은하핵(AGN)이 주도했다고 예측했다. 헬륨까지 다루면서 주변 물질의 온도와 밀도, 은하 진화에 미치는 영향도 실시간으로 반영하도록 설계한 점이 기존 계산과 다르다.

예측 결과는 관측 자료와도 대체로 맞았다. 우주배경복사가 우주 공간의 전자와 부딪혀 흩어진 정도는 유럽우주국 플랑크 우주망원경의 관측과 잘 들어맞았고, 은하 사이 가스의 온도와 이온화 정도도 기존 관측 결과와 대체로 일치했다.

연구팀은 앞으로 루미나의 결과를 제임스웹 우주망원경과 낸시그레이스로먼 우주망원경의 자료에 대조해 우주 진화 이론을 검증하고, 초기 은하·블랙홀의 형성과 은하 사이 가스의 흐름을 분석할 계획이다.