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- 컴퓨터에서 은하가 형성되는 과정이 실제 은하와 거의 구별할 수 없을 정도로 유사
- 시뮬레이션은 빅뱅부터 현재까지 우리 우주의 발달 과정을 이전보다 훨씬 높은 해상도와 포괄적인 정보로 재현
- 최고 해상도 시뮬레이션은 현재 진행 중이며 2026년 가을에야 완료될 예정

우주의 시작으로 돌아가는 여정

최초의 은하들은 어떻게 우주에서 형성되었을까? 그리고 그 이후의 발달을 결정짓는 요인들은 무엇이었을까? 지금까지 천문학자들은 망원경을 통해 우주 진화의 단편적인 모습만을 관측할 수 있었고, 초기 현상 중 일부는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 새로운 우주론 시뮬레이션이 이러한 미스터리에 대한 해답을 제시한다. 

 

이 시뮬레이션은 빅뱅부터 현재까지 우리 우주의 발달 과정을 이전보다 훨씬 높은 해상도와 포괄적인 정보로 재현한다. 우주 네트워크부터 개별 은하의 세부적인 구조에 이르기까지, 시뮬레이션 결과는 천문 관측 및 표준 우주론 모델의 법칙과 잘 일치한다. 그러나 이러한 시뮬레이션조차도 몇 가지 불가사의한 현상을 설명할 수는 없다. 

▲ 우주론 시뮬레이션 COLIBRE는 대규모 우주 구조의 진화(왼쪽)와 개별 은하의 형성 및 성장을 보여준다. © Schaye et al. (2026)

 

최초의 별과 은하들이 우주에 형성되었을 때, 우주의 새벽이 밝아왔다. 젊은 별들이 방출하는 고에너지 복사는 우주에 빛을 가져다주었고, 이전에는 중성이었던 수소를 이온화시켰다. 이 재이온화 시대는 최초 은하의 발달과 성장에 필수적인 조건을 조성했다. 하지만 당시 은하가 어떻게 형성되었는지, 그리고 우리 은하와 다른 은하들의 성장을 이끈 요인은 무엇이었는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다.

 

표준 우주론 모델은 이러한 발달 과정에 대한 "안전장치"를 제공하지만, 빅뱅 직후 시기의 제임스 웹 우주 망원경 관측 결과는 의문을 제기한다. 예를 들어, 일부 초기 은하는 놀라울 정도로 질량이 크며, 이미지에는 현재 설명하기 어려운 "붉은 점"과 같은 현상도 나타난다.

COLIBRE: 차가운 가스와 먼지 포함

우주론 시뮬레이션은 우주 진화에 관한 이러한 질문들을 비롯한 여러 질문에 답하는 데 중요한 역할을 한다. 시뮬레이션을 통해 천문학자들은 표준 모델에서 제공하는 매개변수가 빅뱅에서 현재까지 우주의 경로를 재구성하기에 충분한지, 아니면 아직 발견되지 않은 추가적인 영향 요인이 작용했을 가능성을 검증할 수 있다.

 

그러나 모든 영향 요인을 고려한 고해상도 시뮬레이션에는 막대한 컴퓨팅 능력이 필요하다는 것이 문제다. 오랫동안 그들은 우주의 작은 부분과 그 진화만을 재구성할 수 있었다. 더 넓은 우주 영역을 포괄하는 시뮬레이션은 계산 시간을 제한하기 위해 상대적으로 해상도가 낮았다. 게다가 모델링하기 어려운 특정 요소들을 종종 간과했다.

예를 들어, 성간 막대 구름에서 차가운 가스들의 복잡한 상호작용이 아닌 뜨거운 가스만을 시뮬레이션했다. "은하의 가스 대부분은 차갑고 먼지가 많지만, 이전의 대규모 시뮬레이션에서는 이를 무시할 수밖에 없었다"고 레이던 대학교의 프로젝트 책임자인 요프 샤예는 설명했다.

▲ 25~400 cMpc의 변 길이를 가진 5개의 정육면체 COLIBRE 상자. 색상은 에서의 총 표면 밀도(5 Mpc 두께의 면 기준)를 나타낸다. 고해상도(m5), 중간 해상도(m6), 저해상도(m7)에서 사용 가능한 부피가 표시되어 있다. 단, 이 글을 작성하는 시점에는 50 Mpc 및 100 Mpc 고해상도 시뮬레이션이 아직 적색편이 에 도달하지 않았음을 유의하시오. (출처:The COLIBRE project: cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation and evolution / 13 April 2026 / Monthly Notices od the Royal Astronomical Society)

 

하지만 이제 상황이 달라졌다. "COLIBRE를 통해 우리는 이러한 필수 요소들을 시뮬레이션에 포함시키고 있다"고 샤예는 말했다. COLIBRE는 우주론적 유체역학 시뮬레이션으로, 최근 알고리즘과 슈퍼컴퓨터의 발전 덕분에 은하 형성 및 진화 과정 동안의 화학적, 물리적 조건을 더욱 포괄적으로 재구성할 수 있게 되었다.

 

이 시뮬레이션의 기반이 되는 모델은 지난 10년간 국제 연구팀에 의해 개발되었다. 이를 통해 COLIBRE는 차가운 가스와 먼지 입자, 그리고 이들이 우주 과정에 미치는 영향까지 추적할 수 있다. 샤예와 그의 동료들이 설명하는 것처럼, 이 시뮬레이션은 우주의 세 가지 다른 영역과 해상도에서 우주 과정을 재현하며, 이전의 유사한 시뮬레이션보다 약 20배 더 많은 입자를 포함한다. 계산량은 상당했다. 가장 큰 시뮬레이션에는 7,200만 CPU 시간이 소요되었다.

천문 관측과의 일치

이제 초기 결과가 나왔다. 더럼 대학교의 공동 저자인 카를로스 프렌크(Carlos Frenk)는 "컴퓨터에서 은하가 형성되는 과정이 실제 은하와 거의 구별할 수 없을 정도로 유사하다는 점이 매우 흥미롭다"고 말했다. COLIBRE 시뮬레이션은 생성된 은하의 수, 크기, 광도, 색깔 등 여러 측면에서 관측 데이터와 잘 일치하는 우주 진화를 보여준다.

프렌크는 "농담 삼아 동료들에게 '이 이미지들은 어느 은하 목록에서 가져온 거지?'라고 물어보기도 했다"고 회상했다. "COLIBRE 프로젝트는 물리적 과정의 근간을 더욱 현실적으로 재현할수록 모델이 관측 결과와 더 잘 일치한다는 것을 보여준다" 이는 특히 별과 블랙홀에서 발생하는 차가운 가스, 먼지, 유출물의 통합에 해당한다.

새로운 COLIBRE 시뮬레이션은 우주에서 관측되는 은하와 현상들이 표준 우주론 모델로 설명될 수 있음을 보여준다. 여기에는 초기 초거대 은하로 추정되는 일부 은하들도 포함된다. 레이던 대학교의 공동 저자인 예브게니 차이킨(Evgenii Chaikin)은 "웹 우주망원경의 일부 관측 결과는 표준 모델과 모순되는 것처럼 보였다"고 말했다. 하지만 이러한 결과조차도 COLIBRE 시뮬레이션을 통해 재현될 수 있었다. 연구진은 이러한 점이 새로운 시뮬레이션을 가설과 이론을 검증하는 데 유용한 도구로 만들어준다고 설명했다.

그러나 COLIBRE 시뮬레이션조차도 초기 우주의 모든 불가사의한 현상을 설명할 수는 없다. 예를 들어, 웹 우주망원경이 관측한 "작은 붉은 점들"(빅뱅 후 수억 년이 지난 시점의 붉은 빛 점들)은 시뮬레이션에서 나타나지 않는다. 이 천체들의 정체는 여전히 불분명하다. 하지만 천문학자들은 이 천체들이 후에 나타날 초거대 블랙홀의 전조일 가능성이 있다고 추측한다. 샤예와 그의 연구팀은 COLIBRE 프로젝트가 이 수수께끼도 해결해 줄 수 있기를 기대하고 있다. 최고 해상도 시뮬레이션은 현재 진행 중이며 2026년 가을에야 완료될 예정이다.

출처: Joop Schaye (Leiden University) et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, doi: 10.1093/mnras/stag375

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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