Codex로 새로운 블랙홀 시뮬레이션 만들기
한 계산천체물리학자가 최초의 블랙홀 동영상을 만들기 위해 연구를 진행하며 알려진 우주의 경계를 탐구하고 있습니다.
“이러한 도구들은 우리가 과학을 수행하는 방식을 매우 근본적으로 바꾸고 있습니다.”
우주의 경계를 연구하다
블랙홀은 우주의 경계에 존재하며 천문학자들이 연구하기 매우 어려운 천체입니다. 블랙홀은 빛을 방출하지 않으며, 너무 멀리 떨어져 있어 직접 관측할 수도 없습니다. 블랙홀 하나를 직접 보기 위해서는 지구 크기의 망원경이 필요할 정도입니다. 또한 블랙홀에 적용되는 물리 법칙은 현재 인류가 이해하고 있는 물리학과 완전히 들어맞지 않는 경우도 있습니다.
이러한 사실은 계산천체물리학자인 치콴 'CK' 찬에게는 이미 익숙한 이야기입니다. 애리조나대학교 교수인 CK는 20년 넘게 블랙홀을 연구해 왔습니다. 그는 2019년 최초의 블랙홀 이미지를 공개한 이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope) 공동 연구팀의 일원이었습니다. 그리고 올해는 미국 국립과학재단(새 창에서 열기)(National Science Foundation)의 지원을 받아 한층 더 큰 목표에 나서고 있습니다. 바로 최초의 블랙홀 동영상을 만드는 것입니다.
CK가 키트피크 국립천문대에 위치한 애리조나 전파천문대 12m 전파망원경에서 데이터를 수집하고 있습니다.
“블랙홀은 원래 이론에서 출발한 개념이었습니다. 그래서 지금 우리가 그것을 직접 관측할 수 있다는 사실이 무척 흥미롭습니다.” — 치콴 'CK' 찬
무엇이 부족한지 이해하려면 더 나은 모델을 만들어야 합니다. 즉, 극한 환경에서 물질이 어떻게 거동하는지를 설명하는 수학적 근사 모델이 필요합니다. 하지만 이러한 방정식은 매우 복잡합니다. 가장 강력한 슈퍼컴퓨터조차 이를 푸는 데 어려움을 겪으며, 새로운 접근 방식을 개발하는 데는 수년이 걸릴 수 있습니다. 그래서 CK는 이 과정을 가속화하기 위해 Codex의 도움을 받게 되었습니다.
“새로운 근사 기법 10개를 생각해 내려면 열흘이 걸립니다. 하지만 Codex를 사용하면 몇 분 만에 해낼 수 있습니다.”
학생들이 검토할 수 있도록 근사식을 적고 있는 CK.
CK가 애리조나대학교 학생들과 그룹 토론을 진행하고 있습니다.
CK가 손으로 작성한 수학적 근사식.
새로운 기술, 새로운 접근 방식
블랙홀은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문에, 이를 연구하는 유일한 방법은 블랙홀로 유입되는 플라스마를 측정하는 것입니다. CK는 이러한 플라스마를 시뮬레이션한 뒤 망원경으로 수집한 관측 데이터와 비교합니다. 하지만 CK는 “기존 시뮬레이션에는 한계가 있습니다”라고 말합니다. 그는 “시뮬레이션 결과를 실제 관측과 비교해 보면 블랙홀 주변의 플라스마 밀도가 매우 낮다는 사실을 알 수 있습니다. 그래서 플라스마를 단순히 유체처럼 취급할 수 없습니다”라고 설명합니다. CK가 이를 정확하게 시뮬레이션하려면 개별 전자와 이온의 움직임을 모두 추적해야 합니다. 그는 “이는 현재의 계산 능력으로는 사실상 해결이 불가능한 문제입니다”라고 말합니다.
CK는 자신이 작성한 에이전트 스킬을 활용해 더 빠르고 안정적인 시뮬레이션을 구현할 수 있는 새로운 수치 알고리즘을 Codex로 찾고 있습니다. 그는 “Codex를 사용하면 이제 계산 속도를 1,000배까지 높일 수 있는 새로운 좌표 변환과 알고리즘을 자동으로 발견할 수 있습니다. 덕분에 이전에는 불가능했던 시뮬레이션을 수행할 수 있게 되었습니다”라고 말합니다.
물론 CK는 여전히 Codex가 생성한 각각의 근사 기법을 직접 구현하고 검증해야 합니다. 하지만 이러한 접근 방식은 연구 워크플로의 속도를 크게 높여주었고, 더 많은 시간을 연구 자체에 집중할 수 있도록 해주고 있습니다. (블랙홀 과학과 CK의 연구에 대해 자세히 알아보기)
"오랫동안 천문학자와 과학자들은 연구 문제를 해결하기 위해 뛰어난 개발자 역할까지 해야 했습니다. AI 덕분에 이제는 코딩보다 과학적 질문 자체에 다시 집중할 수 있게 되었습니다."
키트피크에 위치한 애리조나 전파천문대의 12m 전파망원경은 이벤트 호라이즌 망원경 네트워크를 구성하는 11개 관측소 중 하나입니다.
Codex는 CK가 과학 연구용 코드를 검토하고 통계 및 수치해석 과정의 오류를 찾아낼 수 있도록 도와주며, 보다 신뢰할 수 있는 결과를 얻는 데 도움을 줍니다.
애리조나 전파천문대 12m 전파망원경 제어실에 있는 CK.
발견의 미래
현재 CK와 이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope) 연구팀은 블랙홀 데이터를 수집하고 있으며, 2027년 중 최초의 블랙홀 영상을 공개하는 것을 목표로 하고 있습니다. CK는 이를 통해 무엇을 새롭게 알게 될지 큰 기대를 걸고 있습니다.그는 "최초의 블랙홀 영상을 성공적으로 확보한다면 사건지평선 규모의 시간영역 블랙홀 천체물리학이라는 새로운 시대가 열릴 것입니다"라고 말합니다. 이어 "이를 통해 우주에서 가장 극한적인 환경 가운데 일부에서 플라스마가 어떻게 거동하는지 연구할 수 있게 될 것입니다"라고 설명합니다.
주변 세상에 대한 호기심이 있다면 계속해서 새로운 답을 찾게 됩니다. 그렇게 우리는 배우고, 그렇게 기술을 발전시키며, 문명을 발전시켜 왔습니다.” — 치콴 'CK' 찬
CK와 램, 나예라, 헤이든. 이들은 애리조나대학교 학생으로, 블랙홀 데이터 분석과 새로운 시뮬레이션 개발에도 함께 참여하고 있습니다.
“저는 홍콩의 평범한 가정에서 자랐습니다. 그래서 블랙홀 연구의 프런티어에서 일할 수 있다는 사실이 정말 큰 행운이라고 생각합니다.” — 치콴 'CK' 찬
“인류는 탐험가입니다. 그리고 천문학은 탐험의 궁극적인 프런티어입니다. 이것은 인간의 지식이 우주의 경계까지 도달하는 하나의 방법입니다.”