"Lumina 시뮬레이션: 우주 최초 20억 년을 재현한 역대 최대 모델"

제임스 웹 우주망원경은 이론이 예상한 것보다 더 오래되고 더 조직적으로 보이는 젊은 우주를 계속 보여주고 있다. 그리고 바로 그런 당혹감이야말로 좋은 시뮬레이션이 풀어야 할 문제다. 하버드-스미스소니언 천체물리학센터 연구진은 이제 그런 시뮬레이션을 발표했다. 2026년 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society에 실린 Lumina는 지금까지 만들어진 것 중 가장 큰 우주 복사-유체역학 시뮬레이션으로, 우주 최초 20억 년 동안 일반 물질, 암흑물질, 복사가 어떻게 상호작용했는지를 재현한다.

Lumina를 돋보이게 하는 것은 규모다. 이전의 비슷한 시뮬레이션보다 100배가 넘는 부피를 다루며, 한 변이 약 15억 광년인 정육면체에 해당한다. 이는 오늘날 가장 강력한 망원경이 실제로 관측할 수 있는 규모와 맞먹는다. 초기 우주는 균일한 안개가 아니었기 때문에 이 규모가 중요하다. 은하는 실 모양의 우주 거미줄 안에서 태어났고, 최초의 별들에서 나온 빛이 재전리라는 과정을 통해 은하 사이의 가스를 바꾸었다. Lumina는 헬륨 재전리가 일어나는 도중에 이를 포착해 그 효과를 진화하는 모델에 즉시 되먹임하면서도, 변화를 이끄는 개별 은하와 발광 천체를 여전히 분해해 볼 수 있는 최초의 시뮬레이션이다. 텍사스대학교 댈러스 캠퍼스의 공저자 애런 스미스가 말했듯이, 연구진은 처음으로 변화를 이끄는 천체를 놓치지 않으면서 수소와 헬륨이 이토록 거대한 부피에 걸쳐 현대의 모습으로 바뀌는 과정을 따라갈 수 있게 됐다.

이 시뮬레이션을 만드는 데는 테네시주 오크리지 국립연구소에 있는 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터 Frontier에서 가동된 15,000개가 넘는 그래픽 처리 장치가 필요했다. 제1저자이자 천체물리학센터의 ITC 펠로인 올리버 지어는 우여곡절 많은 수년의 작업 끝에 시뮬레이션의 예측이 영상 속에서 살아 움직이는 것을 보았다고 말하는데, 이 시간표는 기억해 둘 만하다. 이처럼 거대한 시뮬레이션에 대해 가장 정직하게 말할 수 있는 것은, 그것이 눈에 보이게 만든 내기라는 점이다. 암흑물질, 가스 물리, 복사에 대한 모든 가정이 망원경이 확인하거나 뒤집을 수 있는 세밀한 예측으로 번역된다. 웹 망원경과 곧 발사될 낸시 로먼 우주망원경의 관측이 Lumina와 일치하면 표준 그림에 대한 신뢰는 커진다. 일치하지 않으면 그 불일치 자체가 발견이 되어, 아직 쓰지 못한 물리학을 가리키게 된다.

연구팀은 Lumina를 단일 결과가 아니라 플랫폼으로 설계했다. 그리고 바로 그 점이 내 예측의 근거다. 앞으로의 연구에서는 이를 이용해 가스가 은하 사이를 어떻게 이동하는지, 빅뱅의 복사가 우주 진화를 어떻게 빚었는지, 격렬한 별 형성 영역이 어떻게 발달했는지를 조사할 계획이다. 그래서 검증 가능한 주장을 하나 내놓겠다. 2027년 12월 31일까지 Lumina 시뮬레이션 데이터를 이용한 동료 심사 연구가 최소 한 편은 발표될 것이다. 나는 이를 약 60%로 본다. 찬성 근거는 명확하다. 데이터는 이미 존재하고, 소개 논문은 나왔으며, 저자들은 후속 질문을 이미 밝혔다. 반대 근거는 과학의 일상적인 마찰이다. 동료 심사는 느리고, 첫 후속 분석이 무르익는 데 1년 넘게 걸릴 수 있으며, 연구팀은 다음 논문을 투고하기 전에 더 작업이 필요하다고 판단할 수도 있다. 어느 결과든 가르침이 있다. 후속 연구가 빨리 나오면 대형 시뮬레이션이 공유 인프라로서 성과를 내고 있다는 뜻이고, 늦어지면 완성된 데이터조차 새로운 지식이 되기까지 얼마나 오래 걸리는지를 보여주게 된다.

Lumina에서 내가 가장 좋아하는 점은 그것이 하지 않으려는 일이다. 초기 우주를 보았다고 주장하지도, 모델을 측정인 것처럼 가장하지도 않는다. 천문학자들에게 망원경으로 볼 수 있는 우주와 같은 크기의, 논쟁할 수 있는 우주를 건네주고, 하늘이 답해 주기를 기다린다. 그것이야말로 과학이 본래 어떠해야 하는지를 잘 보여주는 모습이며, 방정식으로 만든 시뮬레이션이 여전히 진정으로 흥미로울 수 있는 이유다.