3 space science questions that computing is helping to answer

컴퓨팅이 답해주는 우주과학의 3가지 궁금증

천문학자들이 AI, 슈퍼컴퓨터, 클라우드를 동원해 우주 최대 수수께끼를 풀고 있다.

블랙홀이 충돌하면 어떻게 될까?

2015년경 미국에서 박사 후 연구원으로 일하고 있던 우주물리학자 엘리우 후에르타(Eliu Huerta)는 컴퓨터 기술을 이용해 많은 성과를 이루기 위해 노력하고 있었다. 그 즈음 LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계 중력파 관측소) 과학자들은 최초로 중력파를 검출하였다고 발표했다.

이후 과학자들은 관측 자료를 모아 이 자료로부터 중력파를 검출해내기 위해 심혈을 기울였다. 그들은 추가로 수십 개의 중력파 신호를 발견하였는데, 이러한 성과에는 컴퓨팅 기술의 발전이 큰 도움이 되었다.

박사 후 연구원이 된 후, 후에르타는 중력파를 발견하기 위하여 검출기를 통해 수집된 자료를 기존에 알려진 중력파의 파형과 비교하는 지루한 작업을 반복해야 했다. 그는 좀 더 효율적인 방법을 찾고 싶었다.

그리고 올해 초, 이제 시카고에 위치한 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 컴퓨터 과학자가 된 후에르타는 LIGO의 한 달 치 자료를 단지 7분 안에 분석할 수 있는 새로운 인공지능 알고리즘을 개발하는 데 성공했다.

GPU라고 불리는 특별한 프로세서를 기반으로 작동하는 그의 알고리즘은 인공지능과 분산 컴퓨팅 (distributed computing)의 장점을 두루 갖추고 있다. 여기저기 떨어져 있는 여러 컴퓨터와 네트워크를 마치 하나의 시스템처럼 구성한 그의 프로그램은 블랙홀과 같이 중력의 밀도가 높은 지점을 찾아낼 수 있다. 이 지점들이 서로 충돌하게 될 때 우리는 중력파를 검출할 수 있다.

후에르타는 그가 개발한 인공지능 프로그램을 인터넷에 공개해, 관심 있는 사람은 누구든 이 프로그램을 사용할 수 있게 했다. “모든 연구자가 슈퍼컴퓨터를 사용해서 연구할 수 있는 것은 아니다.” 그가 말한다. “공개된 프로그램을 이용하면 연구자들이 더 쉽게 인공지능으로 연구를 진행할 수 있을 것이다.”

그동안 밤하늘은 어떻게 변화했을까?

천문학이 빠르게 발전하는 가운데, 이 학문이 클라우드 컴퓨팅을 받아들이는 속도는 기대에 미치지 못하고 있다. 하지만 현재 칠레에 건설되고 있는 베라 C 루빈 관측소(Vera C. Rubin Observatory)는 비슷한 규모 중에서 최초로 클라우드 기반 데이터 저장 시설을 갖춘 천체 관측소가 될 예정이다.

2024년에 운영을 개시하면 이 관측소의 망원경으로 얻은 데이터는 ‘시공간의 유산 조사 (Legacy Survey of Space and Time, LSST) 프로젝트’의 일환으로 연구자들에게 공개될 것이다. 이 프로젝트의 규모는 기존 우주 관측 데이터의 수천배 이상으로 방대하다. 과거에는 데이터가 대부분 연구자 각자의 컴퓨터에 저장되어 있었기 때문에 학자들 사이에서도 서로의 데이터에 접근하기 어려웠다.

“우리는 하늘 전체의 지도를 만들고 있다.” 루빈 관측소의 데이터 관리팀 소속인 신-팡 치앙 (Hsin-Fang Chiang)이 말한다. 이 과정을 통해 그들은 “천문학의 다양한 분야에서 유용하게 분석할 수 있는 엄청난 크기의 데이터셋을” 생성하게 될 것이다.

치앙이 박사과정에서 천문학을 전공한 것은 사실이지만, 그녀의 첫 연구는 이와 관련 없는 다른 분야였다. 하지만 그녀는 이 프로젝트의 규모가 방대한 덕택에 참여할 기회를 얻게 되었다. 그녀는 이 프로젝트를 통해 과학자들이 협업하는 방식을 개선할 수 있을 것이라고 자랑스럽게 이야기했다.

현재 10년으로 예정된 이 프로젝트는 500페타바이트(peta-byte, 1페타바이트는 100만 기가바이트에 해당함.) 규모의 데이터와 이미지를 클라우드로 전송하게 될 것이다. 그리고 천문학자들은 이 데이터를 자유롭게 이용하여 우주의 구조와 진화를 연구할 수 있을 것이다.

10년으로 예정된 이 프로젝트는 500 페타바이트 규모의 데이터와 이미지를 클라우드로 전송하게 될 것이다.

“하늘의 지점마다 800장 이상의 이미지를 얻게 될 것이다.” 치앙이 말한다. “우리는 심지어 과거에 무슨 일이 있었는지 확인할 수도 있다. 초신성과 같이 급격하게 변하는 관찰 대상의 경우 특히 더 흥미로울 것이다.”

루빈 관측소는 매일 은하수와 주변 우주를 관측하면서 20테라바이트의 데이터를 처리하고 저장하게 된다. 이 거대 프로젝트에 참여하는 천문학자들은 세계 어디에서든 웹 브라우저를 통해 데이터에 접근하고 분석할 수 있다. 망원경이 매일 밤 촬영하는 항성, 은하, 그리고 천체들의 이미지는 최종적으로 온라인 데이터베이스에 보관될 예정이다.

초기 우주는 어떤 모습이었을까?

컴퓨팅 기술의 발전은 우주 역사를 역추적하는 연구에 기여할 수 있다. 올해 초에는 일본의 한 천문학자가 천문학 시뮬레이션용 슈퍼컴퓨터인 아테루이 II(ATERUI II)를 이용하여 빅뱅 당시 초기 우주의 모습을 재구성해냈다. 

아테루이 II는 우주 팽창(cosmic inflation)을 연구하는 연구자들을 돕는다. 우주 팽창이란 초기 우주가 빅뱅 직후에 기하급수적으로 확장되었다는 이론이다. 많은 천문학자들은 이 과정에서 공간 내 물질의 밀도에 극단적인 불균형이 발생하였고, 이로 인해 은하의 분포와 생성이 일어났을 것으로 생각한다.

이 프로젝트를 위해서는 거대한 데이터 저장 공간이 필요하다. (10테라바이트는 TV 시리즈 왕좌의 게임 22,000편에 해당하는 분량이다.)

과학자들은 초기 밀도 조건을 조금씩 달리하며 4000회 이상의 시뮬레이션을 수행해 이를 실제 관측치와 비교했다. 이 방법으로 시간을 거슬러 왜 우주의 특정 장소에서는 우주적 활동(cosmic activity)이 활발한 데 비해 다른 부분에서는 황폐함만 가득한지에 대해 탐구할 수 있었다.

일본의 국립 천문학 관측소(National Astronomical Observatory of Japan)의 조교수인 마사토 시라사키(Masato Shirasaki)는 시뮬레이션 없이 이 질문에 대답하는 것이 거의 불가능할 것이라고 말한다. 이 프로젝트에는 대략 10만 테라바이트의 저장 공간이 필요한데, 이는 TV 시리즈 왕좌의 게임 22,000편에 해당하는 크기이다.

시라사키 연구팀은 우주가 어떻게 진화하는지에 대한 모델을 개발하고, 또 이를 각 시뮬레이션에 적용하여 어떠한 결과가 현재의 모습에 가장 가까운지 탐색하였다. 이를 통해 연구자들은 우주 팽창에 적용되는 물리 법칙을 좀 더 쉽게 연구할 수 있었다.

앞으로 몇 년간, 우리는 시라사키의 방법을 통해 스피어엑스(SPHEREx)와 같은 연구 프로젝트에 걸리는 기간을 단축할 수 있을 것이다. 이 연구는 지구 공전 궤도에 관측 위성을 발사하여 2024년부터 2년 동안 우주에 존재하는 3억 개 가량의 은하들을 관찰할 예정이다. 컴퓨팅 기술의 도약과 함께 우주에 대한 우리의 이해도 한 비트씩 팽창하고 있다.

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