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- James Webb 망원경의 데이터에 따르면 빅뱅 이후 5억 7천만 년 전에 존재
- CEERS 1019와 중앙 블랙홀의 급속한 성장의 일부는 은하 병합 때문일 수 있다.
- 초대질량 블랙홀이 그 당시 별의 조상으로부터 어떻게 성장할 수 있었는지 설명하는 것이 매우 어렵다

가장 먼저 형성된 블랙홀 발견
초대질량 블랙홀은 빅뱅 이후 5억 7천만 년 동안 존재했다.

우주 거인의 씨앗?
천문학자들이 최초의 거대한 블랙홀을 발견했다. James Webb 망원경의 데이터에 따르면 빅뱅 이후 5억 7천만 년 전에 존재했다. 이 활성 은하 중심은 이미 태양 질량의 900만 배에 달하는 무게를 가졌다. 따라서 우리 은하의 중앙 블랙홀보다 두 배나 무겁다. 실제로 이 초기 시대에는 너무 무거웠다. 이 블랙홀이 어떻게 그렇게 일찍 그렇게 많은 질량을 축적할 수 있었는지는 미스터리다. 

▲ CEERS 1019 은하의 중앙 블랙홀은 빅뱅 이후 5억 7천만 년이 지난 후에도 이미 존재했지만, 그 당시에도 약 9백만 태양 질량의 질량을 가졌다. © NASA/ESA/CSA, Leah Hustak(STScI)

그들은 초기 우주의 거인이며 천문학자들에게 수수께끼를 던진다. 관측에 따르면 빅뱅 이후 거의 7억 년 후에 블랙홀의 무게가 태양 질량의 15억 배 이상인 퀘이사가 있었다. 그들은 어떻게 그렇게 빨리 자랄 수 있었을까? 현재의 이론에 따르면, 그러한 초대형 거인은 물질을 삼키고 합병하여 점차 커지는 항성 블랙홀에서 발생한다.

초기 퀘이사는 이 느린 과정을 수행할 충분한 시간이 없었다. 그러나 초기 거대 거인들은 어떻게 생겨날 수 있었을까? 천문학자들은 이것에 대해서만 추측할 수 있다.

선조는 직접 붕괴에 의해 생성되었을까?

한 시나리오에 따르면, 그러한 초대질량 블랙홀은 밀도가 높은 플라즈마 구름의 붕괴에 의해 형성되었을 수 있다. 자체 중력으로 붕괴하면 태양 질량이 수만에서 수백만에 달하는 거대한 블랙홀이 직접 형성될 것이기 때문에 가정이다. 텍사스 대학의 레베카 라슨(Rebecca Larson)과 그녀의 동료들은 "별의 1세대 이후에 형성된 이 거대한 블랙홀은 관측된 초기 퀘이사 개체군을 뿌렸을 수 있다"고 설명했다.

그러나 이 시나리오가 정확하다면 그러한 "씨앗 구멍"은 초기 우주에서 이미 발견되었을 것이다. 이것은 James Webb 우주 망원경이 알려는 곳이다. 주요 작업 중 하나는 초기 은하와 블랙홀의 형성과 성장에 대해 더 많이 알아내는 것이다. 망원경의 고해상도 적외선 광학 장치는 이전의 다른 어떤 장비보다 초기 우주를 더 자세히 볼 수 있으며 처음으로 초기 은하 및 기타 물체에 대한 스펙트럼 정보를 제공한다.

▲ 은하 CEERS 1019가 포착한 방사선의 스펙트럼 폭(흰색 곡선)은 활성 블랙홀이 별 외에도 이 방사선에 기여함을 시사한다. © NASA/ESA/CSA, Leah Hustak(STScI)

빅뱅 이후 이미 5억 7천만 년이 지난 "퀘이사 시드“

이제 Webb 망원경의 도움으로 Larson과 그녀의 팀은 초기 우주에서 가장 멀리 떨어져 있고 따라서 가장 오래된 활성 블랙홀을 발견했다. 천문학자들은 4개의 망원경 장비 모두에서 얻은 적외선 데이터를 사용하여 빅뱅 이후 5억 7천만 년 전에 존재했던 은하인 CEERS 1019를 확인했다. 이 은하의 복사 스펙트럼은 그 중심에 활성 은하핵(AGN)이 있음을 시사한다.

좀 더 면밀한 분석에 따르면 이 블랙홀의 무게는 약 900만 태양 질량이다. 이것은 은하수의 중앙 블랙홀보다 약간 무겁고 지금까지 관찰된 초기 퀘이사보다 훨씬 작고 가볍다. Larson과 그녀의 동료들은 "우리의 측정은 CEERS 1019의 활성 은하 코어가 우주 재이온화 시대부터 지금까지 알려진 가장 낮은 질량의 블랙홀에 의해 구동된다는 것을 시사한다"고 썼다. 그들이 가능한 퀘이사 전구체를 추적한 것은 이번이 처음이다.

"과학자들은 초기 우주에 더 적은 질량의 블랙홀이 있었음에 틀림없다는 것을 오랫동안 알고 있었다. Webb은 이렇게 선명하게 표시할 수 있는 최초의 천문대다. 다른 망원경으로 보면 정상적인 별 형성 은하처럼 보이기 때문이다.”

CEERS 1019는 어떻게 그렇게 빠르게 성장했을까?

유일한 문제는 CEERS 1019의 블랙홀이 후기 퀘이사에 비해 다소 작지만, 질량도 초기 시대에 너무 높다는 것이다. 천문학자들은 "우리는 이 질량의 초대질량 블랙홀이 그 당시 별의 조상으로부터 어떻게 성장할 수 있었는지 설명하는 것이 매우 어렵다는 것을 발견했다"고 말했다.

CEERS 1019와 중앙 블랙홀의 급속한 성장의 일부는 은하 병합 때문일 수 있다. Webb 망원경의 이미지는 이 은하에서 하나의 밝은 원반뿐만 아니라 세 개의 더 밝은 덩어리(통합된 이웃의 유물일 수 있음)를 보여주었다. 이 은하에서 상대적으로 높은 별 형성률도 그러한 합병을 뒷받침한다고 팀은 설명했다.

"이국적인 시나리오"
그러나 이 합병조차도 CEERS 1019의 중앙 블랙홀의 질량을 설명하기에 충분하지 않다. 충분한 "사료"가 있더라도 소위 에딩턴 한계에 따라 가능한 것보다 때때로 더 많은 물질을 삼켜야 했을 것이다. 일정량 이상의 물질이 빨려 들어가기 때문에 이것은 너무 많은 방사선을 생성하여 더 많은 물질이 삼켜지는 것을 방지한다. 말하자면 블랙홀은 스스로를 "과식"한다.

▲ CEERS 1019 외에도 Webb 망원경은 비슷한 질량의 다른 두 개의 초기 블랙홀을 발견했다. © NASA/ESA/CSA, Leah Hustak(STScI)

따라서 CEERS 1019의 블랙홀은 직접적인 붕괴에 의해 생성되었을 수 있지만 아직까지 이에 대한 구체적인 증거는 없다. Larson과 그녀의 팀은 "두 시나리오 모두 비교적 이국적이다"고 설명한다. 그들은 이제 James Webb 망원경이 가까운 장래에 그러한 초기 거대한 블랙홀의 더 많은 예를 찾을 수 있기를 희망한다.

실제로 CEERS 1019 외에도 망원경은 이미 질량이 매우 유사한 두 개의 다른 블랙홀을 발견했다. 그러나 이들은 거의 5억 년 더 젊다. 천문학자들은 이것을 좋은 징조로 보고 있다. 그들은 James Webb 망원경이 더 많은 초기 퀘이사 전구체를 찾고 그 속성과 가능한 형성에 대해 더 많이 밝힐 수 있게 되는 것은 시간 문제일 뿐이라고 믿는다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2023, 승인; doi: 10.48550/arXiv.2303.08918)
출처: Space Telescope Science Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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