우주에서 가장 오래된 X선 방출 퀘이사는 가장 큰 블랙홀이 어떻게 탄생했는지 밝힐 수 있다

최근 과학자들은 "우주에서 가장 오래된 X선 방출 퀘이사가 가장 큰 블랙홀이 어떻게 탄생했는지 밝힐 수 있다"라고 보고했습니다. 이 퀘이사는 앞서 나사의 제임스 웹 우주망원경(JWST)과 찬드라 X선 관측소를 통해 137억 광년 떨어진 곳에서 관측됐습니다. 연구에 참여한 한 천문학자는 "새로 확인된 퀘이사는 초기 우주에 존재했던 무거운 블랙홀 씨앗의 예일 수 있다"라고 말했습니다.

 

우주에서 가장 오래된 퀘이사

제임스 웹 우주 망원경과 찬드라 X선 관측소를 사용하는 천문학자들은 이미 알려진 우주에서 가장 오래되고 가장 먼 X선 방출 퀘이사를 발견했습니다. 이것은 고대 초거대 흑색 입자의 씨앗에 의해 구동되는 것처럼 보였습니다. 활동성 은하의 밝은 심장인 퀘이사는 활동성 초대질량 블랙홀에 의해 연료가 공급됩니다. 이것은 유입되는 물질이 먹이를 제공받을 때 강렬한 열복사를 방출하게 합니다. 퀘이사는 전체 전자기 스펙트럼에 걸쳐 굉장히 밝으며 주변 은하계 모든 별에서 나오는 빛을 합친 것보다도 더 밝습니다.

 

어떻게 도달했을까?

UHZ1로 명명된 이 원시 퀘이사는 우주의 나이가 4억5천만 년이 채 되지 않았을 때 방출된 고에너지 X선에서 발견됐습니다. 즉, 이것은 우리에게 도달하기 위해 약 137억 년 동안 우주를 여행해 왔습니다. 따라서 이 퀘이사는 초대질량 블랙홀이 어떻게 태양 질량의 수백만 배, 심지어 수십억 배에 달하는 엄청난 질량에 도달했는지를 밝히는 데 도움이 됩니다. 아울러 해당 퀘이사는 초기 우주의 블랙홀 씨앗의 예가 될 수도 있습니다. 연구의 공동 저자이자 예일대 천문학 및 물리학 교수인 프리얌바다 나타라잔은 "빅뱅 이후 불과 4억5천만 년 만에 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 존재를 밝힐 수 있다는 것은 놀라운 일"이라며 입을 열었습니다. 나타라잔은 "나사의 찬드라 우주 망원경은 중앙에 거대한 블랙홀을 품고 있는 이 먼 퀘이사의 X선을 감지했다"라고 말했습니다.

 

초대질량 블랙홀은 어떻게 거대해졌을까?

과학자들은 "초기 우주에서 블랙홀 씨앗으로 시작된 초대질량 블랙홀이 물질을 탐식하거나 다른 블랙홀과 합쳐지면서 꾸준한 성장을 거쳤고 이로써 엄청난 크기로 자랐다"라는 이론을 제시합니다. 문제는 이 씨앗이 처음에 얼마나 컸냐는 것, 이 이론의 한 변형은 초기 우주가 가벼운 씨앗으로 가득 차 있었다고 주장했습니다. 이 주장에 따르면 거대한 별은 핵융합을 위한 연료가 고갈되고 초신성 폭발로 인해 자체 중력으로 붕괴될 때 생성되는 블랙홀입니다. 그러나 초기 우주에서 이러한 거대 괴수들은 태양의 수백만에 해당하는 질량에 도달할 만큼 충분한 시간을 제공하지 않습니다.

 

무거운 씨앗에서 자라난다면

이 과정에서 초대형 블랙홀이 앞선 시작을 할 수 있는 한 가지 아이디어는 블랙홀이 무거운 씨앗에서 자라기 시작하는 경우입니다. 나타라잔은 앞선 2006년에서 2007년 사이, 별 형성이 억제되는 은하에서 무거운 블랙홀 씨앗이 형성될 수 있음을 시사하는 모델을 개발했으며, 이는 최초의 별을 탄생시킨 초기 우주의 은하 근처에 위치한 위성 은하일 것입니다. 해당 모델은 이러한 위성 은하에 있는 큰 가스와 먼지 원반이 수백만 또는 수십억 년 후 결국 블랙홀로 붕괴되는 첫 번째 탄생 별 대신, 블랙홀이 많은 씨앗으로 직접 붕괴될 수 있음을 시사합니다. 이 무거운 블랙홀의 위성 은하계는 근처 주요 별 형성 은하계와 합쳐질 것입니다. 2017년 나타라잔과 동료들은 "무거운 블랙홀 씨앗 은하의 독특한 특성 덕분에 이것은 초기 우주에서 관측이 가능해야 한다"라고 말했습니다. 이들은 "무거운 블랙홀 씨앗 은하의 중심 블랙홀은 그 은하의 별보다 더 클 것"이라고 덧붙였습니다. 나타라잔은 "이것이 찬드라 X선 관측소와 아직 출시되지 않은 JWST에서 X선 퀘이사로 보일 것"이라고 전했습니다.

 

무거운 블랙홀 씨앗 찾기

그로부터 6년이 지난 현재, 연구팀의 예측은 이 먼 X선 퀘이사의 발견으로 결실을 맺었습니다. UHZ1은 하버드 및 스미소니언 천체물리학 센터의 천체물리학자인 아코스 보그단과 프린스턴의 천체물리학자 앤디 굴딩이 이끄는 연구팀에 의해 확인됐습니다. 이들은 찬드라 X선 관측소와 JWST의 최근 데이터를 결합하여 은하 Abell 2744를 자세히 들여다봤습니다. 나타라잔은 "UHZ1은 과도 질량 블랙홀 은하의 일시적인 종류에 대해 우리가 예측한 모든 특성과 일치하는 첫 번째 후보"라고 짚었습니다. 나타라잔은 "이제 우리는 설득력 있는 첫 번째 증거를 보고 있다. 이것은 흥미로운 주제의 교차점이자 제가 연구해 온 모든 일의 정점"이라고 부연했습니다. 굴딩은 "발견되기를 기다리고 있는 무거운 종자 은하계가 더 많이 있다"라고 강조했습니다. UHZ1가 빙산의 일각일지도 모른다고 제안한 굴딩은 "JWST는 초기 우주에 대한 새로운 창을 열었다. 더 많은 UHZ1을 찾고 궁극적으로 거대 블랙홀이 흔한지 이해하는 데 도움이 될 것"이라 부연을 더했습니다.