GPU 1만5000개로 초기 우주 재현, 수소와 헬륨의 재이온화는 누가 이끌었나

빅뱅 뒤 약 20억 년 동안 은하와 별이 태어나고 우주 공간의 수소·헬륨이 이온화되는 과정을 대규모로 재현한 시뮬레이션 ‘루미나(Lumina)’가 개발됐다. 하버드·스미스소니언 천체물리학센터와 댈러스 텍사스대 공동연구팀은 연구 결과를 2026년 10월 26일 국제학술지 ‘영국왕립천문학회 월간보고’에 발표했다.

핵심은 초기 우주의 변화를 넓은 공간에서 계산해 실제 망원경 관측과 대조할 기반을 마련했다는 점이다.

초기 우주에서는 최초의 별과 은하가 낸 빛이 주변의 중성 수소와 헬륨에서 전자를 떼어내는 ‘재이온화’가 일어났을 것으로 추정된다. 하지만 넓은 우주 공간에서 물질과 복사에너지의 상호작용을 함께 정밀하게 계산하기는 어려웠다.

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

계산에는 미국 오크리지국립연구소의 슈퍼컴퓨터 ‘프런티어’에 탑재된 GPU 1만5000개 이상이 투입됐다. 루미나는 수소뿐 아니라 헬륨의 재이온화가 주변 물질의 온도·밀도와 은하 진화에 미치는 영향도 실시간으로 반영하도록 설계됐다.

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

시뮬레이션이 예측한 우주배경복사의 산란 정도는 유럽우주국 플랑크 우주망원경의 관측과 잘 맞았고, 은하 사이 가스의 온도와 이온화 정도도 기존 관측 결과와 대체로 일치했다.

연구팀은 루미나의 결과를 제임스웹 우주망원경과 2026년 9월 본격 관측을 시작한 낸시그레이스 로먼 우주망원경의 자료와 비교해 우주 진화 이론을 검증하고, 초기 은하·블랙홀의 형성과 은하 사이 가스 흐름을 분석하는 데 활용할 계획이다.