우주 시뮬레이션을 노트북으로 실행해주는 에뮬레이터

천문학자는 오랫동안 거대한 우주 구조를 시뮬레이션하기 위해 막대한 계산 능력을 가진 슈퍼컴퓨터를 이용해왔다. 그런데 새롭게 개발된 Effort.jl이라는 에뮬레이션 도구는 복잡한 우주론 모델 거동을 모방해 일반적인 노트북를 사용해 단 몇 분 만에 슈퍼컴퓨터와 동등한 결과를 출력할 수 있다고 한다.

광대한 우주를 이해하기 위해 천문학자는 우주공간에서의 물리학 법칙과 천문관측기기 데이터를 결합해 우주와 같은 대규모 구조에 대한 틀인 대규모 구조 유효장 이론(EFTofLSS) 등 이론 모델을 구축하고 있다. 이런 이론 모델은 관측 데이터를 바탕으로 우주 구조를 통계적으로 기술하며 주요 매개변수를 추정할 수 있게 해준다.

하지만 EFTofLSS와 같은 모델을 실행하려면 막대한 시간과 계산 자원이 필요하다. 또 최근에는 우주관측기기 진화에 따라 이용 가능한 천문 데이터셋이 지수함수적으로 증가하고 있어 정확도를 손상시키지 않으면서도 분석을 경량화하는 방법이 필요하다고 한다.

따라서 주목받고 있는 게 이론 모델 반응을 모방해 훨씬 고속으로 동작하는 에뮬레이터다. 에뮬레이터는 데이터에 기반한 분석 결과를 출력하는 지름길이 될 수 있지만 한편으로는 기반이 되는 모델 자체가 아니기 때문에 정확도가 떨어질 위험이 있다.

이번에 이탈리아 국립천체물리학연구소(INAF)와 파르마대학, 워털루대학 등 국제 연구팀이 EFTofLSS용으로 설계한 새로운 에뮬레이터 Effort.jl을 출시했다. 연구팀 테스트에서 Effort.jl은 슈퍼컴퓨터가 아닌 일반 노트북을 사용해 수 분 정도로 실행할 수 있으며 모방 대상인 EFTofLSS와 본질적으로 동등한 정확도를 달성할 수 있음이 확인됐다. 더 나아가 경우에 따라서는 원래 모델보다도 세밀한 디테일까지 재현할 수 있었다고 한다.

이론 모델은 수집된 데이터를 생성하는 구조를 통계적으로 설명하는 것이지만 오늘날에는 입수 가능한 데이터량이 지수함수적으로 증대하고 있어 실행하려면 막대한 시간과 비용이 필요하다. 에뮬레이터는 신경망을 이용해 입력 매개변수에 대한 출력을 학습해 지금까지 본 적도 없는 매개변수 조합에도 대응할 수 있게 된다.

연구팀은 이론 모델을 매번 철저히 실행하는 건 어렵기 때문에 우리는 시간과 자원을 대폭 절약할 수 있는 에뮬레이터에 눈을 돌리게 됐다고 말했다.

중요한 점으로, 에뮬레이터는 물리현상 자체를 이해하고 있는 게 아니라 어디까지나 이론 모델이 입력에 대해 어떻게 반응하는지를 이해하고 있다는 점을 들 수 있다. Effort.jl은 매개변수가 변화했을 때 예측값이 어떻게 변화하는지에 대한 지식을 알고리즘에 포함시켜 훈련 단계를 더 단축하고 있다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.