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- 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체
- 초거대 블랙홀은 수억에서 수십억 태양 질량에 이르는 질량을 지니고 있다.
- 새롭게 발견된 퀘이사 중 두 개는 가장 오래된 것
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유클리드 망원경이 우주 최초의 퀘이사들을 발견했다

초기의 거인들: 천문학자들이 우주에서 가장 오래된 것으로 알려진 두 개의 퀘이사를 발견했다. 이 활동적인 은하핵은 빅뱅 후 6억 7천만 년도 채 되지 않아 존재했지만, 이미 수조 개의 태양만큼 밝게 빛났다. 이처럼 거대한 블랙홀이 어떻게 그렇게 짧은 시간 안에 거대해질 수 있었는지는 천문학계의 가장 큰 미스터리 중 하나다. 유클리드 망원경을 이용해 새롭게 발견된 31개의 초기 퀘이사는 이 미스터리를 푸는 데 도움을 줄 수 있을 것이다. 

▲ 퀘이사(Quasar)는 멀리 떨어진 은하 중심에 있는 활동적인 초거대 블랙홀로, 엄청난 양의 복사 에너지를 방출한다. 사진: © NASA/ESA, Joseph Olmsted (STScI)

준성, 또는 줄여서 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체다. 멀리 떨어진 은하에 있는 이 초거대 블랙홀은 수억에서 수십억 태양 질량에 이르는 질량을 지니고 있으며, 매우 활발하게 활동하여 엄청난 양의 복사 에너지를 방출한다. 이 복사 에너지는 수십억 광년 떨어진 곳에서도 관측될 수 있다. 오늘날 알려진 많은 퀘이사는 빅뱅 후 10억 년도 채 되지 않아 이미 빛을 발하고 있었다.

이는 이러한 거대 천체가 어떻게 그렇게 빠른 속도로 성장할 수 있었는지에 대한 의문을 제기한다. 블랙홀의 성장 속도는 에딩턴 한계라는 법칙에 의해 제한되기 때문에, 초기 퀘이사는 단순히 가스와 별을 삼키는 것만으로는 점진적으로 성장할 수 없었다. 그럴 시간이 충분하지 않았기 때문이다. "이러한 거대 시스템이 어떻게 형성되고 그렇게 빠르게 성장했는지는 천체물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나다"고 라이덴 대학교의 주 저자인 다밍 양(Daming Yang)은 설명했다.

▲ EWS 영역과 새로 발견된 퀘이사들의 위치를 ​​J2000.0 적도 좌표계로 투영한 그림. 본 연구에서 제시된 퀘이사 탐색에 사용된, 2025년 8월 11일까지 관측된 영역은 베이지색으로 표시되어 있다. 2030년 임무 종료 시점까지 예상되는 전체 탐사 영역은 청록색으로 겹쳐져 있다. 새로 발견된 유클리드 고적색편이 퀘이사의 위치는 빨간색으로 표시되어 있다. (출처:Euclid: Discovery of 31 new quasars at 6.6 < z < 7.8/Astronomy & Astrophysics)

초기 퀘이사를 찾기 어려운 이유

이 수수께끼를 풀기 위해 천문학자들은 여전히 ​​성장 중인 초기 퀘이사를 찾고 있다. 이러한 초기 퀘이사는 후대의 거대 별들의 전신이 어떤 모습이었는지 보여줄 수 있기 때문이다. 하지만 이러한 초기 퀘이사를 찾는 것은 매우 어렵다. 가장 초기의 퀘이사는 너무 멀리 떨어져 있고 빛이 심하게 분산되어 엄청난 밝기에도 불구하고 적외선으로 이루어진 작고 희미한 점으로만 관측된다. 게다가 초기 우주에는 은하가 훨씬 드물었기 때문에 초기 퀘이사 또한 그만큼 드물었다.

"초기 퀘이사 하나당 우리 은하와 인근 은하에는 이미지에서 거의 똑같이 보이는 별이 수천 개나 있다"고 양 박사는 설명했다. "따라서 희미한 빛을 포착하려면 충분히 멀리까지 관측하고 넓은 시야를 확보할 수 있는 조사가 필요하다" 바로 이 점에서 유럽 우주 망원경 유클리드가 중요한 역할을 한다. 2023년에 발사된 이 망원경은 한 번의 관측으로 하늘의 넓은 영역을 고해상도로 선명하게 촬영할 수 있다. NISP 분광기를 통해 근적외선 영역에서 초기 우주를 관측할 수 있다.

초기 퀘이사 31개 발견

천문학자들은 유클리드 위성 이미지를 이용하여 가장 오래된 활동성 은하핵 중 하나인 초기 퀘이사 31개를 발견했다. 이 중 12개는 적색편이가 z=7보다 커서 빅뱅 후 처음 7억 7천만 년 동안 이미 빛을 내고 있었음을 의미한다. 유럽우주국(ESA)의 공동 저자인 안토니오 라 마르카(Antonio La Marca)는 "이번 발견으로 초기 시대의 퀘이사 수가 두 배 이상 늘어났다."라고 말했다.

새롭게 발견된 퀘이사 중 두 개는 가장 오래된 것으로 기록되었다. 적색편이가 각각 7.77과 7.69인 퀘이사 EUCL J172902.75+641018.1과 EUCL J125308.55+705432.3은 이전에 발견된 어떤 퀘이사보다 오래되었고 지구에서 더 멀리 떨어져 있다. 이전 기록 보유자는 적색편이 7.64였다. 새로 발견된 이 두 퀘이사는 130억 년도 더 전에, 빅뱅 후 처음 6억 7천만 년 동안 형성되었으며, 이미 수조 개의 태양만큼 밝게 빛나고 있었다.

기록 경신으로 퀘이사의 신비가 더욱 깊어져

새롭게 발견된 퀘이사들은 새로운 기록을 세웠을 뿐만 아니라, 이 초기 거대 천체들을 둘러싼 신비를 더욱 심화시킨다. 레이던 대학교와 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 공동 저자인 조셉 헤나위(Joseph Hennawi)는 "시간을 거슬러 올라갈수록 이 수수께끼는 더욱 깊어진다"며 "우주가 어떻게 그렇게 빠른 속도로 초거대 블랙홀을 형성할 수 있었는지 아직 정확히 알지 못하기 때문이다"고 말했다.

유클리드 망원경으로 관측한 퀘이사 EUCL J125308.55+705432.3에 대한 초기 상세 분석 결과, 이 활동적인 블랙홀은 별 형성률이 매우 높은 먼지와 가스가 풍부한 은하의 중심에 위치한 것으로 나타났다. 이는 초거대 블랙홀이 그토록 빠르게 성장할 수 있었던 환경적 조건에 대한 중요한 단서가 될 수 있다.

▲ 유클리드 우주망원경으로 촬영한 이 이미지는 초기 우주에서 발견된 31개의 퀘이사 중 15개를 보여준다. 빨간색으로 표시된 두 개는 현재까지 알려진 가장 오래된 퀘이사로, 새로운 기록을 세웠다. — © ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, 이미지 처리: 유클리드 과학 지상 관측소 및 앙투안 바세(CNES)

"진정한 판도를 바꿀 망원경“

초기 퀘이사 탐색은 이제 막 시작 단계다. 천문학자들은 유클리드 망원경의 관측이 계속됨에 따라 이러한 초기 초거대 블랙홀의 사례가 더 많이 발견될 것으로 기대하고 있다. 양 박사는 "유클리드는 진정한 판도를 바꿀 망원경이다"며, "이전에는 가장 밝은 퀘이사 몇 개만 찾을 수 있었지만, 유클리드를 이용하면 더 어두운 퀘이사까지 넓은 영역을 탐색할 수 있다"고 말했다.

하지만 초기 퀘이사 탐색은 아직 시작 단계에 불과하다. 천문학자들의 목표는 적색편이가 z=8보다 큰 최초의 퀘이사를 찾는 것이다. 만약 그렇다면, 이 퀘이사는 빅뱅 후 6억 3천만 년 이내에 생성된 것이 될 것이다. 헤나위는 "더 큰 비전은 이 모든 것을 하나의 일관된 시간표, 즉 우리 우주의 첫 10억 년을 기록한 퀘이사 연대기로 통합하는 것이다"고 설명했다.

천문학자들은 새로 발견된 퀘이사들과 그 숙주 은하들을 더욱 자세히 연구하기 위해 제임스 웹 우주 망원경의 추가 관측 시간을 요청했다. 칠레에 있는 ALMA 배열과 같은 대형 전파 망원경들도 이제 새로 발견된 퀘이사들의 숙주 은하들을 더욱 면밀히 관찰할 것이다.
출처: Daming Yang (Leiden University) et al., Astronomy and Astrophysics, 2026; doi: 10.1051/0004-6361/202658883

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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