초기 우주 재현 대규모 시뮬레이션 ‘루미나’, 무엇을 더 크게 계산했나

미국 하버드·스미스소니언 천체물리학센터와 댈러스텍사스대 공동연구팀이 초기 우주의 진화를 모사한 시뮬레이션 ‘루미나’를 개발했다. 연구 결과는 2026년 10월 26일 국제학술지 ‘영국왕립천문학회 월간보고’에 발표됐다.

빅뱅 뒤 약 20억년 동안 은하와 별이 생기고 수소·헬륨이 이온화되는 과정을 계산해, 이론과 망원경 관측을 비교할 기반을 마련했다.

초기 우주에서는 별과 은하가 내뿜은 빛이 우주 공간의 중성 수소와 헬륨에서 전자를 떼어내는 ‘재이온화’가 일어난 것으로 추정된다. 이를 정밀하게 재현하려면 암흑물질·일반 물질·복사에너지의 상호작용을 함께 계산해야 한다.

루미나는 복사유체역학을 적용해 한 변이 약 15억 광년인 정육면체 공간을 다뤘으며, 비슷한 원리의 기존 시뮬레이션보다 계산 부피가 100배 이상 크다. 오크리지국립연구소 슈퍼컴퓨터 ‘프런티어’의 GPU 1만5000개 이상이 투입됐다.

무엇이 재이온화를 이끌었는지도 수소와 헬륨에서 다르게 나타났다. 시뮬레이션에서는 수소의 재이온화가 주로 별빛으로 진행됐고, 헬륨은 초대질량블랙홀이 주변 물질을 흡수하며 강한 복사에너지를 내는 활동은하핵(AGN)의 영향을 받은 것으로 나왔다.

헬륨의 이온화가 주변 물질의 온도·밀도와 은하 진화에 미치는 효과까지 실시간으로 반영한 점도 기존 계산과의 차이다.

계산 결과가 관측과 얼마나 맞는지도 검토됐다. 우주배경복사가 우주 공간의 전자와 부딪혀 흩어진 정도는 유럽우주국 플랑크 우주망원경의 측정 결과와 잘 맞았고, 은하 사이 가스의 온도와 이온화 정도도 기존 관측과 대체로 일치했다.

연구팀은 루미나를 제임스웹 우주망원경과 지난달 본격 관측을 시작한 낸시그레이스로먼 우주망원경의 자료에 대조해, 초기 은하·블랙홀 형성과 가스 흐름을 분석하고 우주 진화 이론을 검증하는 데 활용할 계획이다.