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- 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 물체이며 태양보다 수조 배 더 많은 방사선을 방출
- 물질을 활발하게 빨아들이고 있는 은하 중심의 초 거대 질량 블랙홀 때문
- 빅뱅 이후 7억 5000만 년 전에 존재했지만 당시의 다른 광원들보다 두드러진 천체 확인
- GNz7q가 일반적인 퀘이사도 아니고 고전적인 항성 폭발 은하도 아니고, 연결고리다.

블랙홀: 누락된 링크 발견
천문학자들은 처음으로 퀘이사로의 전이 형태를 관찰했다.

천문학자들이 퀘이사가 되기 직전에 새로 형성된 초 거대 질량 블랙홀인 블랙홀 진화의 중요한 연결 고리를 발견했다. 지금까지 이러한 물체는 이론적으로 예측됐지만 관찰된 적이 없다. GNz7q라는 이름의 이 블랙홀은 먼지로 뒤덮여 빠르게 팽창하는 먼 은하의 중심에 있다. 허블 우주 망원경의 이미지를 사용해 발견되었다. 

▲ 활성 은하의 먼지 투성이 심장에 숨겨진 초거대질량 블랙홀이 자라고 있다. © ESA/Hubble N. Bartmann

퀘이사는 우주에서 가장 밝은 물체이며 태양보다 수조 배 더 많은 방사선을 방출할 수 있다. 그 이유는 물질을 활발하게 빨아들이고 있는 은하 중심의 초대질량 블랙홀 때문이다. 이 블랙홀의 무게는 태양 질량의 수십억 배에 달할 수 있으며 이상하게도 빅뱅 이후 7억 년 이내에 존재했다. 이 거인들이 어떻게 그렇게 빨리 무거워졌는지는 미스터리다.

초기 우주에서의 발견

코펜하겐 대학의 세이지 후지모토(Seiji Fujimoto)가 이끄는 천문학자들은 이제 퀘이사의 진화에서 중요한 연결 고리를 발견했다. 현재 이론에 따르면 초거대질량 블랙홀은 짧은 시간에 매우 많은 수의 별을 형성하는 초기 항성 폭발 은하의 먼지 투성이 중심에서 존재하기 시작한다. 그곳에서 블랙홀은 짧은 시간에 많은 물질을 빨아들일 수 있다. 일정 질량에 도달하면 먼지 덮개를 벗고 밝게 빛나는 퀘이사로 나타난다. 이것이 이론이다.

그러나 지금까지 천문학자들은 초기 우주에서 폭발적인 항성 폭발 은하와 퀘이사를 발견했지만 연결 고리는 결코 발견하지 못했다. 이 누락된 링크를 찾기 위해 Fujimoto와 그의 팀은 일치하는 특성을 가진 물체에 대해 허블 우주 망원경의 기록 데이터를 검색했다. 실제로 잘 조사된 하늘의 일부인 GOODS North Field 한복판에서 그들이 찾던 것을 발견했다.

▲ GNz7q는 이 Huble 이미지의 확대 부분에 있는 작은 빨간 점이다. © NASA, ESA, Garth Illingworth(UC Santa Cruz), Pascal Oesch(UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens(LEI), I. Labbe(LEI), Cosmic Dawn Center/Niels Bohr Institute/University of Copenhagen

항성 폭발 은하와 퀘이사 사이

천문학자들은 빅뱅 이후 7억 5000만 년 전에 존재했지만 당시의 다른 광원들보다 두드러진 천체를 확인했다. GNz7q는 UV 범위에서 매우 밝게 빛나고 일반 항성 폭발 은하보다 더 밝게 빛나기 때문이다. 동시에 그 빛은 퀘이사 치고는 매우 붉다. 또한 놀라운 점은 "GNz7q는 찬드라 망원경의 X선 지도에 나타나지 않는다"고 연구원들은 보고했다. "따라서 물체는 X선 범위에서 놀라울 정도로 약하게 방사된다.“

이러한 특징의 조합으로 천문학자들은 GNz7q가 일반적인 퀘이사도 아니고 고전적인 항성 폭발 은하도 아니라는 결론을 내렸다. 대신 대상은 링크여야 한다. "우리의 분석에 따르면 GNz7q는 항성 폭발 은하의 먼지 투성이 중심에서 빠르게 성장하는 블랙홀의 첫 번째 예다"고 Fujimoto는 말한다. "전자기 스펙트럼에서 물체의 특징은 이론적인 시뮬레이션의 예측과 매우 일치한다.“

성장하는 거인

따라서 멀리 있는 천체 GNz7q는 초거대질량 블랙홀의 진화에서 오랫동안 추구해 온 연결 고리가 될 수 있다. 초기 거인은 별 형성 속도가 가능한 상한선인 은하의 중심에 앉아 있다고 연구팀은 밝혔다. 이 은하에 있는 가스와 먼지의 양도 이 기간 동안 관측된 것 중 가장 많다. 그 결과 블랙홀은 많은 "삼킬 것"을 발견하지만 동시에 방출되는 먼지로 덮여 있다.

천문학자들은 "GNz7q의 극단적인 X선 약점은 또한 젊은 나이를 나타내는 강력한 지표"라고 설명했다. 그들은 젊은 블랙홀의 질량이 약 1000만에서 1000만 태양 질량이지만 약 1억 태양 질량의 초 거대질량 블랙홀로 발전할 수 있다고 추정한다. Fujimoto는 "GNz7q는 우주 초창기의 초 대질량 블랙홀의 급속한 성장을 이해하는 데 중요한 기여를 했다"고 말했다.

James Webb 망원경은 더 많은 것을 밝힐 수 있다.
천문학자들은 이제 그러한 과도기 형태의 다른 대표자를 찾고 싶어하며 곧 James Webb 우주 망원경으로 GNz7q를 더 자세히 연구할 계획이다. 후지모토는 "이 망원경이 과학적으로 작동하면 빠르게 성장하는 블랙홀이 초기 우주에 얼마나 흔하거나 희귀했는지 알아낼 수 있을 것"이라고 말했다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04454-1)
출처: NASA/고다드 우주 비행 센터, 일본 국립 천문대

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