초기 우주의 거대 블랙홀이 과식 후 '낮잠' 자는 모습이 포착됐다

과학자들은 초기 우주에서 너무 많은 음식을 먹고 난 후 '잠들고 있는' 거대한 블랙홀을 발견했습니다.

겨울 동안 동면하기 전에 연어를 잔뜩 먹는 곰처럼, 또는 크리스마스 저녁 식사 후에 꼭 필요한 낮잠을 자는 것처럼, 이 블랙홀은 너무 많이 먹어서 모은 은하에서 휴면 상태에 빠져 있습니다.

케임브리지 대학이 이끄는 국제 천문학자 팀은 NASA/ESA/CSA 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 빅뱅 후 불과 8억 년 후인 초기 우주의 블랙홀을 감지했습니다.

블랙홀은 거대합니다. 태양 질량의 4억 배로, 웹이 우주의 발전에서 이 시점에서 발견한 가장 거대한 블랙홀 중 하나입니다. 블랙홀은 너무 거대해서 호스트 은하의 총 질량의 약 40%를 차지합니다. 비교해보면, 지역 우주의 대부분 블랙홀은 호스트 은하 질량의 약 0.1%입니다.

그러나 그 거대한 크기에도 불구하고, 이 블랙홀은 성장에 필요한 가스를 매우 느린 속도로 먹거나 축적합니다. 이 속도는 이론적인 최대 한계보다 약 100배 느리기 때문에 사실상 휴면 상태에 있습니다.

우주 초기에 이렇게 거대한 블랙홀이 있었지만 성장하지 않고 있다는 것은 블랙홀이 어떻게 발달하는지에 대한 기존 모델에 도전합니다. 그러나 연구자들은 가장 가능성 있는 시나리오는 블랙홀이 초고속으로 성장하는 짧은 기간을 거친 후 긴 휴면 기간을 거친다는 것입니다. 그들의 결과는 저널 Nature 에 보고되었습니다.

블랙홀이 '낮잠'을 잘 때는 훨씬 덜 밝아서 웹과 같은 고감도 망원경으로도 발견하기 어렵습니다. 블랙홀은 직접 관찰할 수 없지만 대신 블랙홀 가장자리 근처에 형성되는 소용돌이 모양의 강착 원반의 징후적인 빛으로 감지됩니다. 강착 원반의 가스는 극도로 뜨거워지고 자외선 범위에서 빛나고 에너지를 방출하기 시작합니다.

"이 블랙홀은 휴면 상태이지만, 엄청난 크기 덕분에 우리가 감지할 수 있었습니다." 케임브리지 카블리 우주론 연구소의 수석 저자 이그나스 유오즈발리스가 말했다. "휴면 상태 덕분에 우리는 호스트 은하의 질량도 알 수 있었습니다. 초기 우주는 비교적 작은 은하에서도 엄청난 괴물을 만들어냈습니다."

표준 모형에 따르면 블랙홀은 죽은 별의 붕괴된 잔해에서 형성되고 에딩턴 한계라고 알려진 예측된 한계까지 물질을 축적하는데, 여기서 물질에 대한 복사압이 블랙홀의 중력을 극복합니다. 그러나 이 블랙홀의 엄청난 크기는 표준 모형이 이 괴물이 어떻게 형성되고 성장하는지 적절하게 설명하지 못할 수 있음을 시사합니다.

"블랙홀은 '크게 태어났을' 가능성이 있는데, 이는 웹이 초기 우주에서 거대한 블랙홀을 발견한 이유를 설명할 수 있습니다." 카블리 연구소와 케임브리지 캐번디시 연구실의 공동 저자 로베르토 마이올리노 교수가 말했습니다. "하지만 또 다른 가능성은 블랙홀이 과잉 활동 기간을 거친 후 오랜 휴면 기간을 거친다는 것입니다."

이탈리아의 동료들과 협력하여 캠브리지 연구자들은 이 휴면 블랙홀이 우주 초기에 어떻게 그렇게 거대한 크기로 성장할 수 있었는지 모델링하기 위해 다양한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 가장 가능성 있는 시나리오가 블랙홀이 짧은 기간 동안 에딩턴 한계를 초과할 수 있으며, 그 기간 동안 매우 빠르게 성장한 다음 오랜 기간 동안 활동하지 않는다는 것을 발견했습니다. 연구자들은 이와 같은 블랙홀은 500만~1,000만 년 동안 먹고 약 1억 년 동안 잠을 잔다고 말합니다.

마이올리노는 "과잉 활동 기간을 갖는 휴면 상태의 블랙홀을 설명하는 것은 직관에 어긋나는 것처럼 들리지만, 이런 짧은 폭발은 대부분의 시간을 낮잠을 자면서 빠르게 성장할 수 있게 해준다"고 말했습니다.

휴면 기간이 초고속 성장 기간보다 훨씬 길기 때문에 천문학자들이 블랙홀을 감지할 가능성이 가장 높은 시기는 바로 이 기간입니다. "이것은 제가 박사 학위의 일환으로 얻은 첫 번째 결과였고, 그것이 얼마나 놀라운지 이해하는 데 약간의 시간이 걸렸습니다." Juodžbalis가 말했습니다. "천문학의 이론적 측면에서 동료들과 이야기를 나누기 시작할 때까지 저는 이 블랙홀의 진정한 중요성을 알 수 없었습니다."

휴면 블랙홀은 광도가 낮아 천문학자들이 감지하기 어렵지만, 연구자들은 초기 우주의 블랙홀이 대부분의 시간을 휴면 상태로 보냈다면 이 블랙홀은 훨씬 더 큰 빙산의 일각일 가능성이 매우 높다고 말합니다.

"대부분의 블랙홀이 휴면 상태에 있을 가능성이 높습니다. 이걸 발견한 게 놀랍지만, 앞으로 발견할 수 있는 블랙홀이 훨씬 더 많을 것이라는 생각에 설렙니다." 마이올리노의 말입니다.

관찰은 JWST Advanced Deep Extragalactic Survey(JADES)의 일환으로 이루어졌습니다. 이 연구는 부분적으로 European Research Council과 UK Research and Innovation(UKRI)의 일부인 Science and Technology Facilities Council(STFC)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241218131514.htm