우주의 새벽으로 떠나는 시간 여행: 16억 광년 우주 초기 시뮬레이션 ‘Lumina’의 등장

▲ 루미나 시뮬레이션을 통해 구현한 초기 우주: 필라멘트는 암흑 물질을 나타내고, 노란색과 주황색 영역은 은하단 사이에서 빠르게 흐르는 가스 영역을 보여준다. · 사진: © Oliver Zier, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

천문학자들이 빅뱅 이후 첫 20억 년간 일어난 우주 초기의 진화 과정을 사상 최대 규모이자 정밀한 해상도로 구현한 ‘루미나(Lumina)’ 시뮬레이션을 개발했다. 하버드-스미소니언 천체물류학 센터(Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics)의 올리버 지어(Oliver Zier) 연구팀이 이끈 이번 연구는, 우주의 ‘암흑시대’에서 ‘우주의 새벽(Cosmic Dawn)’으로 넘어가는 핵심 전환 과정을 재구성해 최근 제임스 웹 우주망원경(JWST) 등이 포착한 미스터리한 관측 결과들을 설명할 열쇠가 될 것으로 기대를 모으고 있다.

16억 광년 거대 우주를 4,320억 개 입자로 세밀하게 재현

최근 제임스 웹 우주망원경, ALMA, 유클리드(Euclid) 등 첨단 망원경들은 빅뱅 후 불과 몇 억 년 만에 등장한 거대 은하와 은하단, 퀘이사들을 관측하며 기존 우주론 모델에 의문을 던졌다. 당시 존재했던 물질(바리온)의 양으로 어떻게 이렇게 빨리 대규모 천체가 형성되었는지가 큰 의문으로 남았다.

이를 검증하기 위해 연구진은 미국 오크리지 국립연구소의 세계 최고 수준 슈퍼컴퓨터인 '프론티어(Frontier)'를 동원했다. 시뮬레이션 규모는 한 변의 길이가 약 16억 광년에 달하는 입방체 공간을 설정했다. 이는 기존 유사 시뮬레이션 대비 100배 이상 넓은 공간이다.

이 거대한 공간 안에서 4,320억 개 이상의 개별 요소들이 복사, 기체, 암흑물질 간에 어떻게 상호작용했는지를 물리법칙에 기반해 복합적으로 추적했다. 은하 형성 시뮬레이션인 'IllustrisTNG' 데이터와 가스·복사 에너지 거동 모델을 통합해 높은 해상도와 대규모 체적을 동시에 달성했다.

‘우주의 재이온화’ 2단계 과정: 수소 다음은 헬륨이었다

초기 우주에서 첫 별과 은하가 태어나며 뿜어져 나온 강력한 빛은, 당시 중성 상태였던 수소와 헬륨 가스에서 전자를 떼어내는 ‘재이온화(Reionization)’ 현상을 일으켰다. 루미나 시뮬레이션은 이 재이온화가 구체적으로 어떤 순서로 진행되었는지를 최초로 명확히 보여준다.

1단계 - 수소 재이온화 (약 126억 년 전 완료):
초기 별과 은하에서 방출된 빛이 성간 및 은하간 수소 가스를 이온화시켰다. 이 과정이 대부분 마무리되면서 우주는 단파장 자외선까지 통과시키는 투명한 상태가 되었고, '우주의 새벽'이 완성되었다.

2단계 - 헬륨 재이온화 (약 117억 년 전 완료):
수소 재이온화가 끝난 후, 일반적인 별의 빛이 아닌 초기 은하 중심에 위치한 활동성 블랙홀(AGN)이 뿜어내는 강력한 X선에 의해 헬륨 가스가 이온화되었다.

첨단 우주망원경 관측과의 간극을 메울 새로운 천문학 도구

루미나 시뮬레이션은 우주의 초대형 구조 형성뿐만 아니라 개별 은하 내부의 가스 밀도와 형태까지 정밀하게 묘사해 낸다. 연구진은 이 모델을 통해 실제 우주 관측 결과와 이론적 예측 사이의 격차를 극복할 수 있을 것으로 보고 있다.

특히 현재 가동 중인 제임스 웹 우주망원경은 물론, 향후 관측을 본격화할 낸시 그레이스 로만 우주망원경(Roman Space Telescope) 등이 보내올 최신 관측 데이터를 해석하고, 우주 초기 진화 모델의 오류나 미비점을 보완하는 데 핵심적인 시뮬레이션 도구로 활용될 전망이다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]