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138억년 전 빅뱅으로 탄생한 우주는 어떻게 지금처럼 수많은 별과 은하로 가득 차게 됐을까. 미국 연구진이 슈퍼컴퓨터를 이용해 우주 탄생 이후 약 20억년의 역사를 재현한 거대한 가상 우주를 만들었다. 가로·세로·높이가 각각 약 16억광년에 달하는 공간에서 별과 은하가 탄생하고 성장하는 과정을 계산한 것이다. 미국 하버드대·스미스소니언 천체물리학센터 연구진은 초기 우주의 진화를 재현한 컴퓨터 시뮬레이션 ‘루미나(Lumina)’를 개발했다고 국제 학술지 ‘영국왕립천문학회 월간보고’에 최근 발표했다. 우주 탄생 초기의 모습은 천문학계의 오랜 수수께끼다. 제임스웹 우주망원경은 빅뱅 이후 수억 년밖에 지나지 않은 우주에서 예상보다 빠르게 성장한 은하들을 발견했다. 하지만 이 은하들이 어떻게 그토록 일찍 만들어졌는지는 여전히 논쟁거리다. 온라인 연구진은 이를 풀기 위해 초기 우주의 광대한 공간을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현했다. 우주망원경이 과거 우주의 모습을 사진으로 찍는다면, 시뮬레이션은 물리 법칙을 바탕으로 초기 우주가 어떻게 변화했는지 시간의 흐름에 따라 계산하는 방식이다. 실제 관측 결과와 계산이 다르면 기존 이론에서 놓친 부분을 찾아낼 수 있다. 루미나의 가장 큰 특징은 압도적인 규모다. 한 변이 약 16억 3000만 광년인 정육면체 공간을 구현했다. 현재 우주의 팽창을 기준으로 환산한 크기로, 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 ‘우리 은하’를 약 1만 6000개 늘어놓을 수 있는 거리다. 기존의 비슷한 시뮬레이션보다 100배 이상 큰 부피의 우주 공간을 다루면서도 개별 은하의 형성과 주변 가스의 변화까지 추적했다. 온라인파칭코게임 특히 연구진은 초기 우주를 가득 채운 수소와 헬륨이 별빛에 의해 변화하는 과정을 정밀하게 계산했다. 처음에는 우주 공간에 중성 수소와 헬륨이 퍼져 있었다. 이후 별과 은하가 탄생하면서 강한 빛을 내뿜었고, 이 빛이 원자에서 전자를 떼어내 우주 공간의 가스 상태를 바꾸는 ‘재이온화’ 과정을 거쳤다. 특히 수소뿐 아니라 헬륨이 재이온화되는 과정과 이것이 주변 우주 환경에 미치는 영향까지 함께 계산했다. 방대한 계산에는 미국 오크리지국립연구소의 슈퍼컴퓨터 ‘프런티어’가 동원됐다. 연구진은 7500개가 넘는 그래픽처리장치(GPU)를 활용해 수천억 개에 이르는 물질과 가스의 움직임을 계산했다. 연구진은 앞으로 루미나를 이용해 최초의 별과 은하가 주변 우주에 어떤 영향을 미쳤는지 연구할 계획이다. 향후 낸시 그레이스 로먼 우주망원경의 관측 결과와 비교하면 우주 탄생 초기의 비밀을 밝히는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. >