천문학자들은 기원이 불분명한 고대 외로운 퀘이사를 발견했습니다

퀘이사는 은하의 중심에 활동적인 초대질량 블랙홀을 갖고 있는 매우 밝은 은하의 핵심입니다. 블랙홀이 주변의 가스와 먼지를 끌어들이면서 엄청난 양의 에너지를 폭발시켜 퀘이사를 우주에서 가장 밝은 물체로 만듭니다. 퀘이사는 빅뱅 이후 수억 년 전부터 관측되었으며, 이러한 물체가 어떻게 그렇게 짧은 우주 시간에 그렇게 밝고 거대하게 성장할 수 있었는지에 대한 미스터리였습니다.

과학자들은 최초의 퀘이사는 원시 물질이 너무 밀집된 지역에서 발생했으며, 이로 인해 퀘이사의 환경에 더 작은 은하가 많이 생성되었을 것이라고 제안했습니다. 그러나 MIT가 주도한 새로운 연구에서 천문학자들은 초기 우주에서 놀랍게도 홀로 존재하는 것으로 보이는 일부 고대 퀘이사를 관찰했습니다.

천문학자들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 130억 년이 넘는 시간을 거슬러 올라가 알려진 다섯 개의 고대 퀘이사의 우주 주변을 연구했습니다. 그들은 이웃, 즉 "퀘이사 필드"에서 놀라운 다양성을 발견했습니다. 일부 퀘이사는 50개 이상의 이웃 은하가 있는 매우 혼잡한 지역에 존재하지만, 모든 모델이 예측한 것처럼 나머지 퀘이사는 근처에 소수의 길 잃은 은하만 있는 공허 속에서 표류하는 것처럼 보입니다.

이 외로운 퀘이사는 블랙홀 성장을 촉진할 주변 물질의 중요한 원천 없이 어떻게 그렇게 빛나는 물체가 우주 초기에 형성될 수 있었는지에 대한 물리학자들의 이해에 도전하고 있습니다.

"이전의 믿음과는 달리, 우리는 평균적으로 이러한 퀘이사가 초기 우주의 가장 높은 밀도 영역에 있을 필요는 없다는 것을 발견했습니다. 그들 중 일부는 외딴 곳에 앉아 있는 것처럼 보입니다."라고 에일러스(Anna-Christina Eilers) 교수는 말합니다. MIT 물리학. "이 퀘이사가 먹이를 줄 것이 아무것도 없는 것처럼 보인다면 어떻게 그렇게 커질 수 있었는지 설명하기 어렵습니다."

이 퀘이사는 겉으로 보이는 것만큼 단독으로 존재하지 않을 가능성이 있습니다. 대신에 먼지로 심하게 가려져 보이지 않는 은하로 둘러싸여 있을 가능성이 있습니다. Eilers와 그녀의 동료들은 초기 우주에서 퀘이사가 어떻게 그렇게 크고 빠르게 성장했는지 이해하기 위해 그러한 우주 먼지를 통해 관찰을 조정하기를 희망합니다.

Eilers와 그녀의 동료들은 오늘 Astrophysical Journal에 게재된 논문에서 연구 결과를 보고했습니다 . MIT 공동 저자로는 박사후 연구원 Rohan Naidu와 Minghao Yue, 물리학 Francis Friedman 교수이자 MIT의 Kavli 천체물리학 및 우주 연구소 소장인 Robert Simcoe, 그리고 Leiden University, University of California at Santa Barbara, ETH Zurich 등의 기관에서 온 협력자가 있습니다.

은하계 이웃

새로 관측된 5개의 퀘이사는 현재까지 관측된 퀘이사 중 가장 오래된 것 중 하나입니다. 130억년이 넘는 이 물체는 빅뱅 이후 6억~7억년 사이에 형성된 것으로 생각됩니다. 퀘이사를 구동하는 초대질량 블랙홀은 태양보다 10억 배 더 크고, 1조 배 이상 더 밝습니다. 극도의 광도로 인해 각 퀘이사의 빛은 우주의 나이에 걸쳐 오늘날 JWST의 고감도 감지기에 도달할 수 있을 만큼 멀리 이동할 수 있습니다.

Eilers는 "130억년 전의 빛을 이렇게 자세하게 포착할 수 있는 망원경을 갖게 되었다는 것은 정말 놀라운 일입니다."라고 말했습니다. "처음으로 JWST를 통해 우리는 이러한 퀘이사의 환경, 이들이 자란 곳, 주변 환경이 어떤지 확인할 수 있었습니다."

연구팀은 JWST가 2022년 8월부터 2023년 6월 사이에 촬영한 5개의 고대 퀘이사 이미지를 분석했습니다. 각 퀘이사에 대한 관측은 여러 개의 "모자이크" 이미지, 즉 퀘이사 필드의 부분적인 뷰로 구성되었으며, 팀은 이를 효과적으로 꿰매어 각 퀘이사 주변 지역에 대한 완전한 그림을 생성했습니다.

망원경은 또한 각 퀘이사의 장에 걸쳐 다양한 파장의 빛을 측정했으며, 이를 처리하여 현장의 주어진 물체가 이웃 은하계의 빛인지, 훨씬 더 빛나는 중앙 퀘이사로부터 은하계가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 확인했습니다.

"우리는 이 다섯 개의 퀘이사 사이의 유일한 차이점은 환경이 매우 다르게 보인다는 것입니다."라고 Eilers는 말합니다. "예를 들어, 한 퀘이사는 주변에 거의 50개의 은하를 가지고 있는 반면 다른 퀘이사는 단 두 개만 가지고 있습니다. 그리고 두 퀘이사는 우주의 크기, 부피, 밝기 및 시간이 모두 동일합니다. 정말 놀랐습니다."

급성장

퀘이사 필드의 불일치는 블랙홀 성장과 은하 형성에 대한 표준 그림에 꼬임을 도입합니다. 물리학자들이 우주의 첫 번째 물체가 어떻게 출현했는지에 대한 가장 좋은 이해에 따르면, 암흑 물질의 우주적 그물이 진로를 설정했어야 합니다. 암흑 물질은 중력을 통하는 것 외에는 주변 환경과 다른 상호 작용이 없는 아직 알려지지 않은 형태의 물질입니다.

빅뱅 직후, 초기 우주는 덩굴손을 따라 가스와 먼지를 끌어당기는 일종의 중력 도로 역할을 하는 암흑 물질 필라멘트를 형성한 것으로 생각됩니다. 이 거미줄의 지나치게 밀집된 영역에서는 물질이 축적되어 더 거대한 물체를 형성했을 것입니다. 그리고 퀘이사와 같은 가장 밝고 가장 질량이 큰 초기 천체는 거미줄의 가장 높은 밀도 영역에서 형성되었을 것이며, 이로 인해 더 많은, 더 작은 은하가 만들어졌을 것입니다.

"암흑물질의 우주망은 우주의 우주 모델에 대한 확고한 예측이며 수치 시뮬레이션을 사용하여 자세히 설명할 수 있습니다."라고 공동 저자이자 라이덴 대학교 대학원생인 Elia Pizzati는 말합니다. "우리의 관측 결과를 이러한 시뮬레이션과 비교함으로써 우주 웹 퀘이사가 어디에 있는지 확인할 수 있습니다."

과학자들은 퀘이사가 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않아 천문학자들이 관찰한 시기에 극도의 질량과 광도에 도달하려면 매우 높은 강착 속도로 지속적으로 성장해야 했을 것이라고 추정합니다.

"우리가 대답하려는 주요 질문은 우주가 아직 아주 어린 시절에 태양 질량이 10억 개에 달하는 블랙홀이 어떻게 형성되는가 하는 것입니다. 우주는 아직 초기 단계에 있습니다."라고 Eilers는 말합니다.

팀의 연구 결과는 답보다 더 많은 의문을 제기할 수 있습니다. "외로운" 퀘이사는 비교적 빈 공간에 사는 것으로 보입니다. 물리학자의 우주론적 모델이 맞다면, 이 황무한 지역은 암흑 물질, 즉 별과 은하를 양조하기 위한 시작 물질이 거의 없다는 것을 의미합니다. 그렇다면 극도로 밝고 거대한 퀘이사는 어떻게 생겨났을까요?

"우리의 결과는 이러한 초대형 블랙홀이 어떻게 성장하는지에 대한 중요한 퍼즐 조각이 여전히 빠져 있다는 것을 보여줍니다."라고 Eilers는 말합니다. "일부 퀘이사가 지속적으로 성장할 수 있는 물질이 충분하지 않다면, 이는 퀘이사가 성장할 수 있는 다른 방법이 있어야 한다는 의미이며 아직 우리가 파악하지 못한 것입니다."

이 연구는 부분적으로 유럽연구위원회(European Research Council)의 지원을 받았습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241017132105.htm

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