더럼 지하실의 '신의 기계'

7,200만 시간 동안, 잉글랜드 북부의 조용한 구석에 위치한 슈퍼컴퓨터는 물리 법칙을 끊임없이 계산한 끝에 하나의 유령을 토해냈습니다. 그것은 오류나 무작위적인 숫자 배열이 아니라 투영이었습니다. 그 창조주들이 우리가 실제로 살고 있는 우주와 구별할 수 없다고 주장할 만큼 정밀한 합성 우주였습니다. 더럼 대학교(Durham University)의 모니터에 마침내 그 영상이 깜빡이며 나타났을 때, 연구원들이 본 것은 거친 근사치가 아니었습니다. 그들은 현존하는 가장 강력한 망원경으로 보는 별들과 정확히 일치하는 광도, 색상, 성단 분포를 가진 은하들을 마주하고 있었습니다.

이 프로젝트는 신 노릇을 하고 싶다는 욕망에서 탄생한 것이 아니었습니다. 이는 현재의 현실을 구하기 위한 필사적인 시도였습니다. 지난 몇 년간 우주론 학계는 조용한 공황 상태에 빠져 있었습니다. 제임스 웹 우주 망원경(JWST)에서 전송된 데이터는 기존의 이론으로는 설명할 수 없을 만큼 너무 크고 너무 밝은 고대 은하들을 보여주며 혼란을 야기했습니다. 일부 물리학자들은 우리의 우주 "표준 모형"이 돌이킬 수 없을 정도로 무너졌다는 의구심을 제기하기 시작했습니다. 10년간의 국제적인 노력 끝에 탄생한 COLIBRE 프로젝트는 수학적 모델이 여전히 유효한지, 아니면 기존의 법칙을 폐기하고 처음부터 다시 시작해야 하는지를 알아내기 위해 구축되었습니다.

이 과정에 투입된 방대한 연산 규모는 맥주 한 잔과 계산기 없이는 가늠하기 어렵습니다. 이 시뮬레이션의 가장 큰 버전을 실행하기 위해 COSMA8 슈퍼컴퓨터는 단일 프로세서 기준으로 8,219년 분량의 작업을 수행했습니다. 만약 이를 고사양 게이밍 노트북으로 시도했다면, 전체 작업의 10억 분의 1을 마치기도 전에 기기가 실리콘 웅덩이처럼 녹아내렸을 것입니다. 이토록 엄청난 디지털 에너지를 투자한 이유는 연구팀이 수십 년간 우주 시뮬레이션을 괴롭혀 온 지름길을 택하지 않기로 결정했기 때문입니다.

만 도(10,000도)의 벽

이 시뮬레이션이 이전의 것들과 어떻게 다른지 이해하려면, 왜 이전의 시뮬레이션들이 사실상 만화에 불과했는지 알아야 합니다. 우주는 거대하지만 동시에 복잡합니다. 지금까지 천문학자들은 화씨 약 10,000도(섭씨 약 5,500도) 이하의 "차가운" 가스를 모델링하는 데 어려움을 겪었습니다. 인간에게는 용광로처럼 느껴지겠지만, 우주적 관점에서는 거의 결빙 상태와 다름없습니다. 이러한 차가운 가스와 그 가스가 품고 있는 먼지 구름은 믿을 수 없을 만큼 복잡하고 난류적인 방식으로 거동하기 때문에, 초기 시뮬레이션에서는 이 요소들을 단순히 배제했습니다. 그들은 10,000도를 기준점으로 삼고, 누락된 데이터가 큰 영향을 미치지 않기를 바랄 뿐이었습니다.

더럼 대학교의 물리학자이자 이 프로젝트의 수석 설계자 중 한 명인 Carlos Frenk는 완성의 순간을 "희열"이라고 묘사했습니다. 이론을 종이 위에 적는 것과, 기계가 그 이론을 따라 망원경으로 하늘을 볼 때와 똑같은 모습의 은하를 만들어내는 것을 지켜보는 것은 차원이 다른 일입니다. 만약 시뮬레이션이 다른 결과, 즉 뭉치지 않는 물질 덩어리나 너무 빨리 타버리는 별을 만들어냈다면, 그것은 우리가 우주를 이해하는 방식에 종지부를 찍는 사건이 되었을 것입니다.

왜 물리학은 중년의 위기를 맞이했나

이 프로젝트를 추진하게 된 긴장감은 NASA의 복도를 감돌던 특정한 관측 결과들에서 비롯되었습니다. JWST가 발사된 후, 이 망원경은 존재해서는 안 될 것들, 즉 아주 초기 우주의 거대 은하들을 발견하기 시작했습니다. 표준 모형에 따르면 이 은하들은 그렇게 커질 시간이 충분하지 않았습니다. 마치 탁아소에 들어갔는데 갓난아기가 키가 180cm에 달하고 셰익스피어의 시를 낭송하는 것을 목격한 것과 같았습니다. 이는 이치에 맞지 않았고, 빅뱅 이론이 틀렸다거나 중력이 우리가 생각한 것과 다르게 작동한다는 식의 헤드라인들을 쏟아내게 했습니다.

하지만 시뮬레이션은 단순히 위안만을 주지는 않았습니다. 이는 또한 물리학자들이 여전히 설명하기 위해 고군분투하고 있는, 눈에 띄는 루비색의 문제를 부각시켰습니다. 7,200만 시간의 슈퍼컴퓨팅 파워로도 이 모델은 "작은 붉은 점들(Little Red Dots)"을 완벽하게 설명하지 못합니다. 이들은 JWST가 발견한 우주 탄생 10억 년 미만의 시기에 존재했던, 믿을 수 없을 만큼 밝고 밀도가 높은 천체들입니다. 이들은 은하처럼 보이지만 너무 밀도가 높고, 우주가 나이 들수록 사라지는 것처럼 보입니다. 이들은 우주판 괴담과 같습니다. 잠시 나타났다가 사라지며, 기존의 법칙을 따르기를 거부하기 때문입니다.

가상 신 노릇의 대가

모든 시뮬레이션은 정확도와 규모 사이의 타협입니다. COSMA8의 성능을 가지고도 연구원들은 선택을 내려야 했습니다. 그들은 우주의 거대한 범위를 모델링할 수는 있지만, 개별적인 자갈이나 소행성 하나하나를 다 볼 수는 없습니다. 그들은 암흑 물질이 가스를 어떻게 끌어당기는지, 은하 중심의 블랙홀이 물질을 어떻게 우주 공간으로 다시 내뿜는지, 그리고 이 힘들이 수십억 년에 걸쳐 어떻게 균형을 이루는지와 같은 "거시적" 규모를 관찰합니다. 이것은 우주적 셈법 게임이며, 드디어 처음으로 장부가 딱 들어맞는 것처럼 보입니다.

COLIBRE의 진정한 가치는 우리가 옳다는 것을 증명하는 데 있는 것이 아니라, 우리가 틀릴 수 있는 지점을 테스트할 놀이터를 제공하는 데 있습니다. 암흑 물질이 "차가운" 상태가 아닌 "따뜻한" 상태라면 어떤 일이 벌어질지 알고 싶거나, 다른 유형의 블랙홀 성장이 나선 은하의 형태에 어떤 영향을 미치는지 보고 싶다면, 수십억 년 동안 현실 세계의 실험을 기다릴 필요가 없습니다. 코드 한 줄만 바꾸면 시뮬레이션을 다시 실행할 수 있습니다. 이는 샘플이 곧 우주 전체인 실험실인 셈입니다.

이런 작업에는 종종 언급되지 않는 인적 대가도 따릅니다. 과학자 인생의 10년은 소프트웨어 하나를 위해 지불하기엔 너무나 큰 대가입니다. 더럼의 팀과 그들의 국제 파트너들은 별이 어떻게 점화하고 죽는지를 결정하는 아주 미세한 세부 사항인 "서브 그리드(sub-grid)" 물리학을 완성하기 위해 수년을 보냈습니다. 이는 완벽하게 작동할 경우 이미 우리가 알고 있는 것과 정확히 일치하는 결과를 내기 위해 디버깅하고, 테스트하고, 실패하는 고된 과정입니다. 이것이 과학의 궁극적인 역설입니다. 세상이 정확히 당신의 예상대로임을 증명하기 위해 10년을 바치는 것입니다.

수학으로 이루어진 우주

COLIBRE 프로젝트에서 얻을 수 있는 가장 심오한 교훈 중 하나는 우리 우주가 근본적으로 수학적이라는 사실의 확인입니다. 중력, 열역학, 유체 역학의 기본 방정식을 기계에 입력하면 반대편에서 "우주"가 튀어나온다는 사실은 매우 당혹스러우면서도, 한편으로는 약간의 위안을 줍니다. 이는 우리가 은하수를 보며 느끼는 복잡성이 우연이나 기적이 아니라 필연임을 시사합니다. 적절한 재료와 적절한 규칙만 있다면 별들은 형성될 수밖에 없는 것입니다.

현재로서는 표준 모형이 살아남았습니다. 더럼의 지하실에서 수행된 고된 작업 덕분에 제임스 웹 우주 망원경과의 첫 대면에서 살아남은 것입니다. 우리가 비록 혼란스럽고, 차갑고, 먼지로 가득 찬 우주에 살고 있을지라도, 최소한 이제는 그 먼지가 어떻게 가라앉는지 안다고 말할 수 있게 되었습니다. 그리고 시뮬레이션이 여전히 설명하지 못하는 것들은 무엇일까요? 바로 그 부분들이야말로 다음 7,200만 시간을 기다릴 가치가 있게 만드는 대목입니다.