아직 그려지지 않았던 하늘의 지도

존스 홉킨스 대학교 천체물리학자이자 Anthropic 연구원인 브라이스 메나르(Brice Ménard)가 Claude Science와 함께 자외선으로 관측한 하늘 전체의 첫 완성 지도를 만든 과정을 직접 소개합니다. 이 지도는 이 파장대에서 드러나는 은하수의 풍부한 구조를 학생들이 자세히 살펴볼 수 있게 해 주는 유용한 교육 자료가 될 것입니다.

자외선(원자외선 154nm와 근자외선 232nm를 합성)으로 본 하늘 전체의 모습입니다. 은하 중심이 한가운데에 있습니다. 은하면 상당 부분을 포함해 지도의 약 3분의 1은 이 글에서 설명하는 방법으로 Claude Science가 예측한 영역입니다. 추가 레이어에서는 각 픽셀이 "관측값"인지 "예측값"인지 표시하고 불확실도 추정치도 함께 제공합니다. 지도는 여기에서 볼 수 있습니다.

저는 천체물리학을 가르칠 때 보통 학생들에게 관측하는 파장에 따라 하늘이 완전히 다르게 보인다는 사실부터 보여 줍니다. 파장마다 드러나는 특징이 다르기 때문입니다. 가시광선에서는 주로 별이 보입니다. 적외선으로 바꾸면 은하수를 따라 띠 모양으로 모여 있는 미세한 먼지 알갱이의 빛이 드러납니다. 전파에서는 별과 먼지가 흐려지고, 새로운 별을 만드는 재료인 수소 기체가 나타납니다. X선에서는 별의 폭발이나 물질이 블랙홀로 빨려 들어가는 격렬한 현상을 볼 수 있습니다. 천문학자들은 이런 특징을 종합해서 기체가 어떻게 뭉쳐 별이 되는지, 별이 어떻게 은하에 먼지를 뿌리는지, 우리 은하 같은 은하가 어떻게 형성되는지를 이해합니다.

자외선이 어린 별 주변의 구름부터 별의 폭발이 남긴 고리까지, 별빛에 비친 먼지를 어떻게 보여 주는지 설명할 때마다 저는 늘 양해를 구해야 했습니다. 제가 보여 줄 수 있는 자외선 지도는 구멍투성이였으니까요.

자외선 전체 지도가 없었던 이유

자외선은 대기의 오존층에 흡수되기 때문에, 자외선으로 우주를 관측하려면 우주로 나가야 합니다. 지난 50년간 우주 망원경들이 하늘의 일부를 자외선으로 관측해 데이터를 공개했지만, 관측되지 않은 영역이 여전히 많습니다.

가장 큰 데이터셋은 2003년부터 2013년까지 운영된 NASA의 GALEX 임무에서 나왔습니다. GALEX는 약 3만 8천 번의 개별 관측으로 하늘의 약 3분의 2를 촬영했습니다. 하지만 위성 검출기가 손상될 위험이 있어, 별이 매우 밝은 곳은 일부러 관측하지 않았습니다. 별이 가장 빽빽하게 모여 있는 은하 원반인 은하면도 여기에 포함됩니다. NASA의 Swift와 한국의 FIMS/SPEAR 같은 다른 우주 망원경이 데이터를 더했지만, 이를 모두 합쳐도 빈 곳이 여럿 남습니다.

통계 기법으로 빠진 데이터를 추정해 하늘 전체의 자외선 지도를 만들 수는 있습니다. 하지만 제대로 하려면 픽셀 단위로 세심하게 보정하고 정교한 분석을 반복해야 해서 몇 주가 걸리는 고된 작업입니다. 천체물리학자들이 이런 일을 더 시급한 연구에 밀어 두는 것도 당연합니다. 대부분의 분야에는 핵심 개념을 설명해 주거나 다른 연구자에게 도움이 될 만한데도, 누구의 우선순위에서도 끝내 위로 올라오지 못해 미뤄지는 프로젝트가 쌓여 있습니다. Claude 덕분에 이런 우선순위가 낮은 작업도 훨씬 수월하게 해낼 수 있게 되었습니다.

빠진 지도 만들기

올여름 저는 Claude Science로 하늘 전체의 자외선 지도를 만들어 보기로 했습니다. 지시는 말로 하면 간단했지만 실행하기는 만만치 않았습니다. 구할 수 있는 모든 자외선 데이터셋을 모아 같은 기준으로 맞추고, 하나의 지도로 합친 다음, 어떤 자외선 망원경도 관측한 적 없는 영역을 전부 채우라는 것이었습니다.

이를 위해 Claude는 AI 에이전트 팀을 꾸려 작업을 지휘했습니다. 먼저 에이전트들이 웹에서 공개된 천문 자외선 서베이를 찾았습니다. 서베이는 수년에 걸쳐 다양한 조건에서 촬영한 방대한 개별 데이터나 이미지의 모음이며, NASA의 GALEX 임무만 해도 이미지가 수만 장에 달합니다.

데이터를 내려받은 뒤에는 각 서베이의 내부 일관성을 확보해야 했습니다. 서로 다른 시기에 찍은 이미지를 비교할 수 있게 하기 위해서입니다. 특히 밝은 별 주변 영역에 각별한 주의가 필요했습니다. 지상에서 찍은 사진에 태양이나 가로등 불빛 때문에 빛 번짐이 생기듯, 우주 망원경이 찍은 하늘 이미지에도 별 때문에 빛 번짐이 생길 수 있습니다. 별 주변의 더 희미한 자외선을 정확히 측정하려면 이 번짐부터 제거해야 했습니다. 여러 에이전트가 하늘의 서로 다른 영역을 병렬로 맡아 이런 차이를 고르게 맞췄습니다.

다음은 서베이를 합치는 단계였습니다. 데이터셋은 서로 다른 망원경의 서로 다른 장비로 수집했고 각각 자외선 하늘을 조금씩 다르게 포착합니다. 그래서 하나의 지도로 합치기 전에 서로 교차 보정하고, 같은 해상도로 다시 그리고, 공통 좌표계에 맞춰야 했습니다. 저는 방법에 대한 큰 방향만 Claude에게 지시했고, Claude가 에이전트 팀을 투입해 작업을 처리했습니다.

그다음이 가장 어려운 부분, 지도의 빈틈을 메우는 일이었습니다. 하늘의 약 3분의 1은 자외선으로 관측된 적이 없습니다. 이 빈 곳을 채우기 위해 저는 Claude Science에 인페인팅(inpainting)이라는 기법을 쓰게 했습니다. 머신러닝에서 흔히 쓰는 이 기법은 수백만 장의 사진으로 학습한 모델이 이미지의 각 부분이 주변과 어떤 관계인지 익힌 다음, 그 지식으로 손상되거나 빠진 부분을 복원하는 방식입니다.

Claude는 여기에 우리가 가진 추가 정보를 결합했습니다. 자외선 데이터가 없는 곳에도 가시광선, 적외선, 전파 같은 다른 파장의 관측값은 있습니다. Claude는 자외선으로 지도화된 하늘의 3분의 2를 이용해 자외선 밝기가 이런 다른 파장과 어떤 관계인지 학습했습니다. 그런 다음 그 관계를 자외선 데이터가 전혀 없는 나머지 3분의 1에 적용해, 각 지점이 어떻게 보일지와 그 추정을 얼마나 확신하는지를 계산했습니다.

모델의 예측이 얼마나 정확한지 확인하려고, 저는 Claude에게 자외선 데이터가 이미 있는 영역의 일부를 일부러 가려서 인페인팅이 메우도록 설계된 것과 같은 빈 구간을 만들게 했습니다. 모델은 실제 값을 보지 않은 채 학습한 내용만으로 그림을 완성해야 했습니다. 몇 차례 개선을 거치자 가려진 데이터를 실제 자외선 측정값의 약 10% 오차 이내로 추정할 수 있었습니다. 사람의 눈으로는 거의 구별할 수 없는 차이입니다.

마지막으로, 이렇게 인페인팅한 흐릿한 배경 위에 Claude가 1억 개가 넘는 개별 별의 자외선 빛 추정값을 더했습니다. 유럽우주국(ESA)의 Gaia 위성이 가시광선으로 측정한 값에서 추론한 것입니다. 이렇게 하늘 전체 자외선 지도의 첫 번째 버전이 완성되었습니다.

시행착오

Claude가 처음부터 모든 것을 맞힌 것은 아니었습니다. 어느 날 저녁 처리된 이미지를 훑어보다가, 가장 어두운 영역 중 한 곳에서 이상한 점을 발견했습니다. 주변보다 살짝 밝거나 어두운 희미한 원들이 보였습니다.

이 원들은 GALEX의 개별 관측이 남긴 흔적이었습니다. GALEX 이미지는 하늘의 원형 영역을 하나씩 담는데, 각 이미지에는 지구 대기에서 나오는 완전히 균일하지는 않은 약한 자외선 빛이 섞여 있습니다. 이 빛을 완전히 제거하지 못하면 각 원이 주변보다 조금 더 밝거나 어둡게 나타납니다. Claude는 프로젝트를 시작할 때 이를 알려진 문제로 꼽아 두었지만, 지도는 다른 에이전트들의 검토를 두 차례 통과하고도 이 문제가 걸러지지 않았습니다.

저는 Claude에게 "개별 관측의 흔적이 남은 원반이 보이는데, 고쳐 줄 수 있나요?"라고 말했습니다. 에이전트들은 문제의 원인이 남아 있던 대기의 빛이라는 점을 추적해 냈고, Claude는 3만 8천 건의 관측 전체에서 그 빛을 보정했습니다. 몇 시간의 처리 끝에 원들은 사라졌습니다.

완성된 지도

Claude와 저는 함께 열두 개가 넘는 버전을 차례로 만들었고, 버전을 거칠 때마다 지도는 더 정교해졌습니다. 협업은 며칠에 걸쳐 이어졌고 일정한 리듬이 생겼습니다. 제가 Claude Science 안에서 몇 차례 대화하며 다음 단계를 계획하면, Claude가 알아서 몇 시간씩 계산을 수행하고, 그동안 저는 다른 프로젝트로 돌아가 일했습니다.

완성된 지도는 하늘 전체를 자외선으로 보여 주며 흥미로운 구조를 많이 담고 있습니다. 밝게 빛나는 어린 별 주변에서 환하게 빛나는 먼지 구름, 질량이 큰 별의 폭발로 밀려난 기체 거품을 따라 그려지는 거대한 먼지 고리와 고리 모양 구조가 보입니다. 은하면에서 멀리 떨어진 곳에는 은하 전체의 별빛을 받아 빛나는 희미한 먼지 필라멘트가 하늘을 가로지릅니다. 은하면 아래쪽에는 어린 별로 밝게 빛나는 이웃 왜소은하, 대마젤란은하와 소마젤란은하가 자리합니다. 저는 이 지도가 아름답다고 생각하고, 다른 대표적인 지도들과 나란히 놓여 우리 은하에서 일어나는 다양한 물리 과정을 여러 세대의 학생들이 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

이번에는 처음으로 연구에 쏟았을 시간을 희생하지 않고도 이런 프로젝트를 해낼 수 있었습니다. 많은 과학자가 같은 이유로 미뤄 둔 지도나 그림, 자료가 하나쯤은 떠오르리라 생각합니다.

감사의 말

이 지도를 만드는 데 쓴 측정 데이터는 NASA의 GALEX와 Swift, 한국의 FIMS/SPEAR, 유럽의 TD-1, ESA의 Planck와 Gaia에서 가져왔습니다. 이들 임무에 참여한 모든 분과 데이터를 공개해 준 모든 분께 감사드립니다. Claude Science에서 일한 수많은 에이전트가 이 지도를 완성하는 데 필요한 끈기 있는 노동을 맡아 주었습니다. 저는 그 과정을 이끈 것이 전부입니다.