기록적인 우주 시뮬레이션 두 건, 13.4조 개 암흑물질 입자 추적

우주론자들에게는 거의 역설처럼 들리는 문제가 있습니다. 망원경의 성능이 좋아질수록 관측한 것을 해석하기가 더 어려워진다는 것입니다. 우주의 질량 대부분을 차지한다고 여겨지는 보이지 않는 물질인 암흑물질은 자체적인 빛을 내지 않습니다. 그 구조는 빛을 휘게 하고 은하가 형성되는 위치를 결정하는 방식으로 간접적으로만 드러납니다. 이러한 관측을 이론과 연결하기 위해 연구자들은 거대한 가상 우주를 구축하고 진화시킵니다.

미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소의 한 팀이 전례 없는 규모로 바로 그 일을 해냈습니다. 세계 최초의 엑사스케일 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Aurora를 사용하여 과학자들은 사상 최대 규모의 우주론 시뮬레이션 두 건을 완료했다고 중국 매체 Science and Technology Daily가 보도한 발표에서 밝혔습니다. 각 시뮬레이션은 286억 광년 너비의 영역에서 13.4조 개의 암흑물질 입자의 진화를 추적했습니다.

이 숫자는 상상하기 어렵습니다. 비교하자면, 이전의 주력 시뮬레이션은 수십억에서 수조 개 수준의 입자를 추적했습니다. 단일 실행에서 13조 개 이상의 입자로 도약한다는 것은 가상 우주가 훨씬 더 미세한 구조, 즉 통계적 안개 속으로 흐려질 수 있었던 작은 암흑물질 덩어리들을 해상할 수 있음을 의미합니다. 이러한 작은 구조들은 은하가 어떻게 군집을 이루는지, 암흑물질이 먼 천체의 빛을 어떻게 왜곡하는지에 지문을 남기기 때문에 중요합니다.

시뮬레이션은 핵심 목표인 우주 인플레이션을 겨냥합니다. 이는 아주 초기 우주가 짧고 격렬한 팽창을 겪었다는 이론입니다. 그 과정은 미세한 양자 요동을 오늘날 대규모 구조의 씨앗으로 늘려놓았을 것입니다. 다양한 인플레이션 시나리오를 가진 시뮬레이션 우주를 실제 관측과 비교함으로써 천문학자들은 어떤 버전의 이론이 살아남는지 좁힐 수 있습니다.

실용적인 이점도 있습니다. 새로운 세대의 하늘 탐사는 수십억 개의 은하를 지도화하고 그 형태의 미묘한 왜곡을 측정하고 있습니다. 이러한 탐사는 막대한 데이터 세트를 생성하며, 여기서 우주론적 정보를 추출하려면 그에 못지않게 막대한 이론적 예측이 필요합니다. Aurora 실행은 이러한 분석을 위한 참조 라이브러리 역할을 하여 연구자들이 실제 신호를 잡음 및 모델링 인공물과 분리하도록 돕기 위한 것입니다.

엑사스케일 컴퓨팅, 즉 초당 100경 회 이상의 계산이 가능한 기계는 오랫동안 추구해온 이정표입니다. 시카고 근처 아르곤에 위치한 Aurora는 그 임계값을 넘은 최초의 시스템 중 하나입니다. 우주론은 중력만 고려한 암흑물질 시뮬레이션이 계산적으로 까다롭지만 모델링하기는 비교적 깔끔하기 때문에 새로운 하드웨어의 이상적인 스트레스 테스트로서 쇼케이스 워크로드 중 하나가 되었습니다.

전 세계 독자들에게 이 이야기는 현대 천문학이 점점 더 계산 중심의 사업이 되고 있음을 상기시켜 줍니다. 망원경은 광자를 모으지만 슈퍼컴퓨터가 그것을 이해로 바꿉니다. 칠레, 하와이, 그리고 결국 우주에 있는 천문대가 점점 더 큰 은하 목록을 생성함에 따라 병목 현상은 데이터 수집에서 해석으로 이동하고 있습니다.

아르곤 팀의 결과는 아직 발견이 아닌 시뮬레이션이며, 그 과학적 가치는 현실과 얼마나 잘 일치하는지에 달려 있습니다. 그러나 입자 수가 두 배로 늘어날 때마다 가상 우주는 실제 우주에 조금씩 더 가까워지고 있으며, 우주의 가장 큰 구조들이 이제 일리노이주의 한 기계에서 입자 하나하나씩 재현되고 있습니다.