미국 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois, Urbana-Champaign) 산하 국립 슈퍼컴퓨팅 애플리케이션 센터(National Center for Supercomputing Applications, NCSA) 과학자들의 새로운 연구 덕분에, 우주에 대한 이해가 빛의 속도로 발전할 전망입니다.
NCSA 연구진은 초신성, 블랙홀 충돌, 그리고 우주의 탄생으로 인해 발생한 중력파와 시공간의 일렁임을 탐지하고 해석하기 위해 GPU 가속 딥 러닝을 활용하고 있습니다.
NCSA는 기존의 슈퍼컴퓨터에서 시뮬레이션을 가동해서 인공지능(AI)을 트레이닝 시키고 있는데요. NCSA의 연구 방식은 중력파와 중력파의 발생 원인인 천문학적 현상을 분석하는데 필요한 시간과 연산 자원을 절감해서 과학적 발견을 가속화시킬 수 있습니다. 덕분에 연구진은 이전에 탐지하지 못했던 파장을 검출해서, 심도 깊은 연구를 통해 우주의 원리에 대한 이해를 넓힐 수 있게 되었습니다.
NCSA의 중력파 연구 팀장인 천체물리학자 엘리우 후에르타(Eliu Huerta) 교수는 “아인슈타인이 상대성 이론에서 예측하지 못한 중력파를 발견할 가능성이 있습니다. 천문학적 현상을 이해하는데 새로운 이론이 필요할 수도 있습니다”라고 말했습니다.
노벨 물리학상을 수상한 중력파 검출 연구
과학자들은 아인슈타인이 예측한 중력파의 존재를, 100여년이 지난 2015년에서야 레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)를 통해 확인했는데요. 지난 2017년 세 명의 LIGO 설립자들은 중력파 발견으로 노벨 물리학상을 받았습니다. (“GPU 구동 중력파 검출로 노벨물리학상 수상.”)
중력파는 수십 광년 거리에 있는 블랙홀들의 충돌처럼 엄청난 규모의 천문학적인 작용으로 생성되는데요. 이렇게 생성된 파장은 빛의 속도로 이동하기 때문에 검출이 매우 어렵습니다. 세계에서 가장 민감한 과학 장비라고 불리는 LIGO는 정확도가 아주 높아 지진부터 자동차, 또는 근처 행인의 움직임에 이르기까지 모든 지구의 진동을 포착해냅니다. 수동으로 코딩된 알고리즘은 외부 소음을 걸러내고 LIGO 데이터에서 중력파 시그널을 분리해내는데, 이는 아주 연산 집약적인 과정이지요.
엘리우 후에르타 교수는 전용 슈퍼컴퓨터를 사용해도, 세부 분석에 수일에서 수개월이 걸린다고 말합니다. 그리고 나서도 현재 사용하고 있는 필터 범주 밖의 천문학적 현상으로 생성된 시그널은 놓칠 수 있다고 덧붙였습니다.
일리노이 대학교 박사 과정 학생이자 엘리우 후에르타 교수의 연구팀에서 일하는 대니얼 조지(Daniel George)는 “딥 러닝은 연산 자원 활용법과 과학 연구의 범주를 재편합니다”라고 말합니다.
빛의 속도의 과학
엘리우 후에르타 교수와 대니얼 조지 연구원은 수동 필터를 대체하기 위해 GPU 구동 블루 워터스(Blue Waters) 슈퍼컴퓨터로 구현한 블랙홀 충돌 시뮬레이션, 실제 LIGO 데이터, 엔비디아 DGX-1 AI 슈퍼컴퓨터로 뉴럴 네트워크를 트레이닝 하였습니다. 가속 추론을 위해 엔비디아 텐서RT (TensorRT)를 활용해서 연구를 실행하자, 1초 분량의 데이터를 1밀리세컨드(1000분의 1초)도 안 걸려서 처리해냈습니다. 실시간보다 더 빠른 속도를 구현한 셈이지요.
연구진은 실험을 통해, 자체 모델인 딥 필터링(Deep Filtering)이 기존 머신 러닝 알고리즘보다 훨씬 더 빠르고 더 정확하다는 사실을 입증했습니다. 또한 신호의 결함에 더욱 탄력적임도 확인할 수 있었다고 연구진은 덧붙였습니다.
연구진의 논문은 유럽의 물리학회지 <피직스 레터 비(Physics Letters B)>의 3월호에 실릴 예정입니다. 여기를 클릭하시면 전문을 확인하실 수 있습니다.
천문학 빅뱅
NCSA의 새로운 기술은, LIGO와 다른 장비를 결합해서 우주의 신비를 여는 새로운 천문학의 시대를 펼칠 수 있습니다. 이는 AI가 중성미자 물리학, 생물학, 기상학 등의 분야에서 과학적 발견을 어떻게 가속화하는지 보여주는 단편적인 예입니다.
지난 8월, 과학자들이 두 개의 중성자별의 대형 충돌하면서 발생한 중력파와 전자기파를 동시에 관측하면서 다중신호 천문학(Multi-Messenger Astronomy)의 시대가 열렸습니다.
전세계와 우주에 위치한 70개 천문대의 연구진은 LIGO의 경보를 받고, 강력한 천체망원경을 사용해서 감마선에서부터 자외선, 전파에 이르기까지 전자기 스펙트럼에 걸친 여러 파장을 관측했습니다.
중력의 중심
다양한 각도에서 천문학적 현상을 연구하는 것은, 마치 여러 감각기관으로 세상을 경험하는 것과 같은데요. 보다 완전하게 현상을 파악할 수 있습니다. 하지만, 이를 위해서 과학자들은 실시간으로 중력파를 탐지하고, 그 근원을 신속하게 파악하며, 모든 특성을 설명할 수 있어야 합니다. 지금으로써는 아주 많은 시간이 걸리고 어려운 일이지요.
이에, 엘리우 후에르타 교수와 대니얼 조지 연구원은 딥 필터링을 전자기파에까지 확장하고자 합니다.
엘리우 후에르타 교수는 “LIGO가 망원경의 관측 방향까지도 즉시 알려줄 수 있을 만큼 딥 필터링을 가속화시키고자 합니다. 중력파와 전자기파를 함께 관찰함으로써, 우주의 근본적인 힘이 어떻게 작용하는지 더 잘 이해할 수 있습니다”라고 설명합니다.
상세한 내용은 연구진의 최근 논문을 참고해 주세요.
- 실시간 중력파 탐지를 위한 딥 러닝과 패러미터 추산: 첨단 LIGO 데이터를 통한 결과(Deep Learning for real-time gravitational wave detection and parameter estimation: Results with Advanced LIGO data)
- 실시간 다중신호 천문학을 구현하는 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Networks to Enable Real-time Multimessenger Astrophysics)
* 이 글의 메인 이미지는 중성자별 충돌을 표현한 아티스트의 일러스트레이션입니다 [출처: 미국 국립과학재단(National Science Foundation, NSF)/LIGO/소노마 주립 대학교(Sonoma State University)]