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KISTI, 세계 최대 규모 우주론적 유체역학 시뮬레이션 수행

손영주 2020-10-19 View. 1,428

KISTI, 세계 최대 규모 우주론적 유체역학 시뮬레이션 수행

- 고등과학원·천문연과 우주거대구조의 형성과 은하의 기원 연구 -


Z=0.93 / D= 3180 MPC ~ 3240 MPC / Age = 6.18Gyr


한국과학기술정보연구원(원장 최희윤, 이하 KISTI)과 고등과학원, 한국천문연구원은 우주 진화와 은하 생성을 계산하는 세계 최대 규모의 수치모의실험 Horizon Run* 5(이하 HR5)를 수행했다고 밝혔다.

  * Horizon Run(HR) 5는 KISTI 슈퍼컴퓨터를 활용한 다섯 번째 우주 진화 연구임


KISTI는 2018년 25.7페타플롭스*의 계산 능력을 가진 당시 세계 11위 규모의 슈퍼컴퓨터 누리온을 도입하였다. 이에 2019년 HR5 연구팀은 누리온을 활용하여 기존에 수행할 수 없었던 규모인 2,500 계산노드(7.5페타플롭스 규모)에서 3개월간 계산을 수행하였다.

  * 플롭스는 초당 수행할 수 있는 부동소수점 연산의 횟수를 의미하는 것으로 컴퓨터의 연산속도를 나타내는 척도. 페타플롭스는 1초당 1,000조번의 연산처리를 말함



자세한 내용은 하단 참조

x축(수치실험 수행 연도): 1995, 2000,2005,2010,2015,2020

y축(입자 또는 격자 개수): 104,105, 106, 107, 108, 109, 1010

최신 우주론적 유체역학 수치실험: 19(Eagle), 20(Illustris), 21(Horizon-AGN), 22(HR5)

  • 01 Metzler+1994
  • 02 Katz+1996
  • 03 Pearce + 1999
  • 04 Dave + 2001
  • 05 Murali +2002
  • 06 Springel+2003
  • 07 Oppenheimer+2008
  • 08 Di Matteo+2008
  • 09 Planneles+2009
  • 10 Schaye+2012
  • 11 Dave+ 2011
  • 12 Vogelsberger+2012
  • 13 Cui+2012
  • 14 Dave+2013
  • 15 Puchwein+2013
  • 16 van Daalen+2013
  • 17 LeBrun+2014
  • 18 Khandai+2014

< 현재 세계 최대급인 유체역학을 활용한 우주론적 수치실험들은 Eagle, Illustris, Horizon-AGN 등으로,

이들의 한 변의 크기는 100Mpc*으로, 한 변이 약 1,049Mpc인 HR5은 기존 시뮬레이션보다 10배 정도 큰 규모이다. >

* 파섹(pc)은 천문학에서 사용하는 보편적인 단위로 1메가파섹(Mpc)은 326만 광년이다.



연구팀은 해당 계산을 위해 프랑스에서 개발된 유체역학 수치모의실험 코드 RAMSES(람세스)를 채택하였으며, 누리온 슈퍼컴퓨터에서 최대 효율을 발휘하도록 최적병렬화*하였다. 새롭게 개발된 RAMSES 버전은 초신성과 활동성 은하핵에 의한 기체의 가열 및 손실 뿐 아니라 산소, 철과 같은 중원소 함량의 진화, 초거대질량 블랙홀의 자세한 물리적 진화과정을 계산 가능한 코드이다.

  * 최적병렬화는 슈퍼컴퓨터에서 수천대의 컴퓨터가 동시에 수행할 수 있게 코드를 개발하여 어려운 문제를 빠르게 계산하도록 하는 기술


기존 세계 최대급 우주론적 유체역학 수치모의실험에서는 가상 우주 공간 크기의 한계 때문에 우주거대구조의 성장과 은하 진화와의 상관 관계를 제대로 규명할 수 없었다. HR5는 모의실험의 규모를 크게 확장하여, 표준우주모형*에 입각한 은하의 형성과 진화를 가장 사실적으로 재현했다는 데 큰 의의가 있다.

  * 우주상수가 들어간 차가운 암흑물질 모형이라고도 하며, 우주대폭발 모형, 급팽창가설, 차가운 암흑물질 모형, 중력불안정 가설로 이루어져있음. 대부분의 우주론적 관측 데이터와 잘 일치함


예를 들어 기존 수치실험에서는 10개 내외의 은하단만 찾을 수 있었지만, HR5에서는 동일한 공간 분해능을 가진 기존 시뮬레이션보다 10배 큰 공간에서 약 10배 더 많은 100여개의 은하단을 찾을 수 있었다. 이는 통계적으로 유의미한 수의 은하단 형성과 소속 은하의 진화를 살펴볼 수 있게 하며, 2020년 노벨물리학상과 2019년 사건지평선망원경(Event Horizon Telescope, EHT)으로 화제가 되었던 초거대 블랙홀의 성장 과정을 이해하기 위한 중요한 이론적 자료가 될 수 있다.


HR5 실험은 우주의 팽창현상을 설명하기 위해 이론상으로 제시된 암흑에너지(Dark Energy)*의 정체 규명을 위한 탐사 관측 해석에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 우주의 나이가 38만 년일 때 빛과 물질이 분리되며 형성된 물질 요동의 흔적(BAO)**은 암흑에너지를 이해하기 위한 핵심 정보 중 하나인데, HR5는 한 변이 약 34억 광년인 가상 우주 공간 내의 은하 분포로부터 BAO를 구현해 낸 최초의 시뮬레이션이다.

  * 암흑에너지는 초신성 폭발 관측을 통해서 알아낸 우주의 가속팽창을 설명하기 위해서 도입된 물리량으로 우주 공간의 에너지와 관련된 물리량. 이를 관측적으로 발견한 공로로 2011년에  솔 펄머터와 브라이언 슈밋, 애덤 리스는 노벨물리학 상을 수상

  ** 바리온 물질 요동의 흔적 (BAO, Baryonic Acoustic Oscillation)이란 우주 초기에 공간이 팽창함에 따라서 바리온 요동이 화석화되어 현재까지 남아 있는 흔적을 말함



자세한 내용은 하단 참조

x축(년도): 2000,2005,2010,2015,2020

y축(core개수): 103, 104, 105, 106

빨간색: 본 HR5수치 실험

파랑: KSC를 활용한 기존의 수치 실험

HR1, HR2/HR3, HR4, HR5

< HR1부터 HR4는 KISTI 슈퍼컴퓨터 4호기 타키온을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

HR5는 HR4에 비해 코어 개수 측면에서 20배 이상, 코어 시간 측면에서 10배 가까이 증가한 실험이다.>



고등과학원 박창범 교수는 “HR5는 국내 연구진이 주도한 세계 최대 규모의 우주론적 유체역학 시뮬레이션으로서, 우주 거대구조와 은하의 생성 및 진화를 동시에 정밀히 기술할 수 있다는 특징이 있다. 우주론을 비롯한 은하 및 은하단의 기원을 밝히는 다양한 연구에 활용되길 바란다”고 하였다.


수치실험에 참여한 KISTI 슈퍼컴퓨팅응용센터 권오경 책임연구원은 “이번 거대규모 시뮬레이션을 통해 기존에 수행할 수 없었던 어려운 문제를 풀 수 있었으며, 다른 종류의 연구에도 확장하여 혁신적인 연구에 보탬이 되었으면 한다”고 밝혔다.


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