NASA 망원경으로 발견된 새로운 기록을 세운 블랙홀
NASA의 샌드라 X-레이 망원경과 제임스 웹 우주 망원경을 활용하여, 천문학자들이 X-레이에서 본 적 없는 우주의 가장 먼 거리에 위치한 블랙홀을 찾아냈습니다. 이 특이한 블랙홀은 기존에 관측된 적 없는 초기 성장 단계에 있으며, 질량이 호스트 은하와 거의 동일한 수준입니다. 이 발견은 우주 초창기에 형성된 초대형 블랙홀에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 빅뱅 이후 약 47억 년 만에 성장 중인 블랙홀의 신호를 확인했습니다.
하버드-스미슨 천체물리학 센터의 아코스 보그단은 '웹을 통해 먼 은하를 찾고, 샌드라를 사용하여 그 놀라운 초대형 블랙홀을 찾아냈습니다. 중력 렌즈링에 의해 늘어난 빛의 양을 활용하는 등 다양한 기술을 동원하여 이 환상적인 발견을 이끌어냈습니다.
이 블랙홀은 'UHZ1'이라는 은하에서 발견되었으며, 지구로부터 35억 년 떨어진 '아벨 2744' 은하 군의 방향에 위치해 있습니다. 그러나 웹의 데이터에 따르면 이 은하는 군보다 더 먼 132억 년 떨어진 곳에 존재하며, 이는 우주가 현재의 나이의 3%에 해당합니다. 샌드라의 2주 동안의 관측에서는 이 은하에서 강렬하고 초온한 X-레이를 방출하는 가스의 존재가 확인되었습니다. 이는 성장 중인 초대형 블랙홀의 특징적인 신호로, 중간의 아벨 2744 물질에 의해 약 4배로 확대되어 웹이 감지한 적외선 신호를 증폭시키고, 샌드라가 희미한 X-레이 원본을 감지할 수 있도록 했습니다.
이 발견은 빅뱅 직후에 일부 초대형 블랙홀이 어떻게 엄청난 질량에 도달할 수 있는지에 대한 중요한 힌트를 제공합니다. 연구자들은 이 블랙홀이 거대한 가스 구름의 붕괴로 직접 형성되어 1만에서 10만 태양질량에 이르는 질량의 블랙홀을 만들어내는 것인지, 아니면 첫 별들의 폭발로 인해 생성된 10에서 100 태양질량의 블랙홀인지에 대한 의문을 제기하고 있습니다.
프린스턴 대학의 앤디 굴딩은 '블랙홀이 형성된 후에는 얼마나 빨리 성장할 수 있는지에는 물리적 한계가 있지만, 더 큰 질량으로 태어난 블랙홀은 앞서 시작됩니다. 마치 묘목을 심는 것처럼, 씨앗만으로 시작하는 것보다 풀가루를 심는 것이 나무로 자라는 데 더 적은 시간이 걸립니다.'라고 설명했습니다. 굴딩은 Nature Astronomy 논문의 공동 저자로, 웹에서 얻은 스펙트럼을 사용하여 은하의 거리와 질량을 보고한 Astrophysical Journal Letters 논문의 주 저자입니다.
보그 단과 그의 팀은 이 신규로 발견된 블랙홀이 대질량으로 태어났다는 강력한 증거를 찾아내었습니다. X-레이의 밝기와 에너지를 기반으로 그 질량은 대략 1천만에서 1억 태양질량 사이로 추정되며, 이는 해당 은하의 모든 별들의 질량과 유사합니다. 이는 일반적으로 중심에 있는 블랙홀이 해당 은하의 별들의 0.1% 정도만을 포함하는 것과는 대조적입니다.
이 어린 나이에 블랙홀의 큰 질량과 생성하는 X-레이의 양, 그리고 웹이 감지한 은하의 밝기는 모두 2017년 이론적 예측과 일치합니다. 고려대학교의 프리야빈다 나타라잔은 '우리는 이것이 '거대 블랙홀'의 첫 발견이자, 어떤 블랙홀들이 거대한 가스 구름의 붕괴에서 직접 생성되었다는 가장 명백한 증거라고 생각합니다. 이번에 처음으로 우리는 초대형 블랙홀이 그 은하의 별들과 비슷한 질량을 가진 잠깐의 단계를 거쳐 형성된 것을 보고 있습니다.'라고 설명했습니다.
연구자들은 웹 및 다른 망원경 데이터를 결합하여 초기 우주에 대한 더 큰 그림을 완성하기 위해 이 및 기타 결과들을 활용할 계획이며, NASA의 허블 우주 망원경은 먼 은하로부터의 빛이 중간 은하 군의 물질에 의해 크게 확대된 것을 보여준 이전 연구 결과와 함께 웹 및 샌드라 관측에 동기부여를 제공했습니다. 보그단 팀의 결과를 설명하는 논문은 Nature Astronomy에 실렸으며, 사전 인쇄본은 온라인에서 확인할 수 있습니다. 양 논문에서 사용된 웹 데이터는 '원시 물질화 시대 전에 초깊은 NIRSPEC 및 NIRCam 관측'이라는 조사의 일부입니다. UNCOVER 팀 멤버인 앤디 굴딩이 주도한 논문은 Astrophysical Journal Letters에 실렸으며, 공동 저자로는 다른 UNCOVER 팀 멤버들과 함께 보그단과 나타라잔이 참여했습니다. UHZ1의 관측된 특성을 거대 블랙홀 은하 모델과 비교하는 자세한 해석 논문은 곧 발표될 예정입니다.
NASA의 마샬 우주 비행 센터가 샌드라 프로그램을 관리하고, 스미스소니언 천체물리학 연구소의 샌드라 X-레이 센터는 케임브리지, 매사추세츠에서 과학 작업을, 버링턴, 매사추세츠에서 비행 작업을 담당합니다. 제임스 웹 우주 망원경은 세계 최고의 우주 과학 망원경입니다. 웹은 우리 태양계의 미스터리를 해결하고, 다른 별 주변의 먼 세계를 탐험하며, 우주와 우리의 위치의 신비한 구조와 기원을 조사하고 있습니다. 웹은 NASA와 그 파트너, ESA(유럽 우주 기구) 및 캐나다 우주 기구가 주도하는 국제 프로그램입니다.