초기 우주의 초대질량 블랙홀은 우주론에 도전한다

활동성 은하인 퀘이사의 밝은 중심 영역을 표현한 예술가의 그림. 중심에 있는 초대질량 블랙홀은 가스와 먼지로 이루어진 밝은 원반으로 둘러싸여 있습니다. 가장 바깥쪽에 있는 먼지 성분은 내부 시야를 가릴 수 있으며 주로 제임스 웹 우주 망원경으로 분석할 수 있는 중적외선 범위의 빛을 발산합니다. 고에너지 입자 빔은 디스크에 수직인 블랙홀 바로 근처에서 우주로 나옵니다. 저작권: © T. Müller / MPIA

놀랄 것도 없이 블랙홀의 평균적인 식욕에도 불구하고 블랙홀의 무게는 이미 초기 우주에서 태양 질량의 10억 배 이상이었습니다.

138억년이나 된 우주의 초기 단계를 살펴보면, 제임스 웹 우주 망원경 그는 불과 7억년 전에 존재했던 은하계를 관찰했습니다. 대폭발. 어떻게 될지 의문이다 블랙홀 우주가 아직 초기 단계에 있었을 때 중심에 있는 블랙홀의 무게는 이미 태양 질량의 10억 배에 달했을 것입니다. James Webb의 관찰은 먹이 공급 메커니즘을 자세히 관찰하기 위해 고안되었지만 그는 평범함에서 아무것도 발견하지 못했습니다. 분명히 블랙홀은 오늘날 일어나는 것과 비슷한 방식으로 이미 성장하고 있었습니다. 그러나 이번 발견은 훨씬 더 중요하다. 이는 천문학자들이 은하계가 어떻게 형성되는지에 대해 그들이 생각했던 것보다 덜 알고 있다는 점을 보여준다. 그러나 측정 결과는 결코 실망스럽지 않습니다. 반대로.

초기 블랙홀의 미스터리

우주 역사의 첫 10억년은 큰 도전을 제기합니다. 은하 중심에 있는 가장 오래된 것으로 알려진 블랙홀은 놀라울 정도로 거대한 질량을 가지고 있었습니다. 어떻게 그렇게 빨리 커졌나요? 여기에 설명된 새로운 관찰은 제안된 설명 중 일부, 특히 첫 번째 블랙홀의 “초효율 먹이 모드”에 대한 강력한 증거를 제공합니다.

초대질량 블랙홀 성장의 한계

우주의 나이인 지난 138억년 동안 별과 은하계는 극적으로 변화했다. 은하들은 주변의 가스를 소비하거나 (때때로) 서로 병합함으로써 더 커지고 더 많은 질량을 얻었습니다. 오랫동안 천문학자들은 은하 중심에 있는 거대한 블랙홀이 은하 자체를 따라 점차적으로 성장했을 것이라고 가정했습니다.

그러나 블랙홀의 성장은 임의로 빨라질 수 없습니다. 블랙홀에 떨어지는 물질은 뜨겁고 밝은 “강착 원반”을 형성합니다. 초대질량 블랙홀 주변에서 이런 일이 발생하면 그 결과로 활동성 은하핵이 생성됩니다. 퀘이사라고 알려진 이러한 물체 중 가장 밝은 것은 전체 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나입니다. 하지만 이 밝기는 블랙홀에 떨어질 수 있는 물질의 양을 제한합니다. 빛은 추가 물질이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 압력을 가합니다.

블랙홀은 어떻게 그렇게 빨리 거대해졌습니까?

그렇기 때문에 천문학자들은 지난 20년 동안 멀리 떨어진 퀘이사를 관찰한 결과 새로 형성된 블랙홀이 밝혀졌음에도 불구하고 그 질량이 태양 질량이 100억 개에 이르렀을 때 놀랐습니다. 빛이 먼 물체에서 우리에게 도달하는 데는 오랜 시간이 걸리기 때문에 먼 물체를 본다는 것은 먼 과거를 본다는 뜻이다. 우리는 최초의 별과 은하가 형성된 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않은 ‘우주의 여명기’로 알려진 시대에 존재했던 가장 멀리 알려진 퀘이사를 볼 수 있습니다.

이러한 초기 거대 블랙홀을 설명하는 것은 은하 진화의 현재 모델에 큰 도전을 제기합니다. 초기 블랙홀이 현대 블랙홀보다 가스를 축적하는 데 더 효율적일 수 있을까요? 아니면 먼지의 존재가 퀘이사 질량 추정에 영향을 미쳐 연구자들이 초기 블랙홀의 질량을 과대평가하게 만들 수도 있습니까? 현재 많은 설명이 제안되어 있지만 널리 받아들여지는 설명은 없습니다.

블랙홀의 초기 성장에 대해 자세히 살펴보기

어떤 설명이 올바른지 결정하려면(있는 경우) 이전에 가능했던 것보다 퀘이사에 대한 더 완전한 그림이 필요합니다. 제임스 웹 우주망원경, 특히 중적외선 장비인 MIRI의 출현으로 멀리 떨어져 있는 퀘이사를 연구하는 천문학자들의 능력이 크게 향상되었습니다. 멀리 있는 퀘이사의 스펙트럼을 측정할 때 MIRI는 이전 장치보다 약 4,000배 더 민감합니다.

MIRI와 같은 장비는 과학자, 엔지니어, 기술자가 긴밀하게 협력하는 국제 컨소시엄에 의해 제작됩니다. 당연히 컨소시엄은 도구가 계획대로 작동하는지 테스트하는 데 큰 관심을 갖고 있습니다. 도구를 구축하는 대가로 컨소시엄에는 일반적으로 일정량의 모니터링 시간이 제공됩니다. JWST가 발사되기 몇 년 전인 2019년, 유럽 MIRI 컨소시엄은 그 시간의 일부를 당시 가장 멀리 알려진 퀘이사, 즉 J1120+0641이라고 불리는 물체를 관찰하기로 결정했습니다.

가장 오래된 블랙홀 중 하나를 관찰하다

관찰 내용은 막스 플랑크 천문학 연구소의 박사후 연구원이자 유럽 MIRI 컨소시엄 회원인 사라 보스만(Sarah Bosman) 박사가 분석했습니다. MIRI 장치에 대한 MPIA의 기여에는 여러 주요 내부 부품 구축이 포함됩니다. Boseman은 초기 우주, 특히 최초의 초거대 블랙홀을 연구하기 위해 장비를 가장 잘 사용하는 방법에 대한 전문 지식을 제공하기 위해 특별히 MIRI 협력에 참여해 달라는 요청을 받았습니다.

이번 관측은 제임스 웹 망원경의 첫 번째 관측 주기인 2023년 1월에 이뤄졌으며 약 2시간 30분 동안 지속됐다. 이는 빅뱅(적색편이 z=7) 이후 불과 7억 7천만 년 후인 우주 새벽 기간 동안 퀘이사에 대한 최초의 중적외선 연구를 나타냅니다. 정보는 이미지가 아니라 스펙트럼, 즉 무지개와 유사하게 물체의 빛이 다양한 파장의 구성 요소로 분해되는 스펙트럼에서 나옵니다.

빠르게 움직이는 먼지와 가스 추적

중적외선(“연속”) 스펙트럼의 일반적인 모양은 전형적인 퀘이사의 강착 원반을 둘러싸고 있는 커다란 먼지 고리의 특성을 나타냅니다. 이 고리는 물질을 강착 원반으로 직접 전달하여 블랙홀에 “공급”하는 데 도움이 됩니다. 초기 거대 블랙홀의 문제를 해결하려는 사람들에게 나쁜 소식은 대안적인 빠른 성장 방법에 있습니다. 이 초기 퀘이사의 고리와 그에 따른 먹이 공급 메커니즘은 보다 현대적인 블랙홀의 경우와 동일한 것으로 보입니다. 유일한 차이점은 초기 퀘이사의 빠른 성장 모델이 예측하지 못한 점입니다. 먼지의 온도는 약간 더 높으며, 덜 먼 퀘이사의 더 뜨거운 먼지에서 발견되는 1,300 켈빈보다 약 100 켈빈 더 따뜻합니다.

강착 원반 자체의 방출에 의해 지배되는 스펙트럼의 짧은 파장 부분은 먼 관찰자에게 퀘이사의 빛이 평소보다 더 많은 먼지로 인해 어두워지지 않는다는 것을 보여줍니다. 여분의 먼지로 인해 초기 블랙홀 질량을 과대평가했을 수도 있다는 주장도 답이 아닙니다.

초기 퀘이사는 ‘놀랍도록 정상’

가스 덩어리가 빛의 속도에 가까운 속도로 블랙홀 주위를 공전하는 퀘이사 윤곽이 있는 영역도 블랙홀의 질량과 주변 물질의 밀도 및 이온화에 대한 추론을 가능하게 하며 정상적인 것처럼 보입니다. 스펙트럼에서 추론할 수 있는 거의 모든 특성에 따르면 J1120+0641은 후기 퀘이사와 다르지 않습니다.

“전반적으로 새로운 관찰은 미스터리를 더합니다. 초기 퀘이사는 놀랍게도 정상이었습니다. 우리가 어떤 파장에서 관찰하든 퀘이사는 우주의 모든 시대에서 거의 동일했습니다. “라고 Bosman은 말합니다. 초대질량 블랙홀 자체뿐만 아니라 그 공급 메커니즘도 우주가 현재 나이의 5%에 불과했을 때 완전히 “성숙”했습니다. 여러 대안적 해결책을 배제함으로써 이번 결과는 초거대질량 블랙홀이 처음부터 천문학 용어로 ‘원시’ 또는 ‘거대’로 큰 질량으로 시작했다는 생각을 강력하게 뒷받침합니다. 초대질량 블랙홀은 초기 별의 잔해에서 형성되지 않았지만 매우 빠르게 성장했습니다. 그들은 아마도 거대한 초기 가스 구름의 붕괴로 인해 적어도 태양 질량의 100,000배에 달하는 초기 질량으로 초기에 형성되었을 것입니다.

참조: Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. 그레이프, 질리언 라이트, 아르잔 벡, 레안데르트 보가르드, 카리나 카포테, 루카 콘스탄틴, 안드레아스 에카르트, 마카레나 가르시아 마린, 스티븐 겔만, 옌스 요스, 에도아르도 이아니, 올리비에 일베르트, 아이리스 저먼, 알바로 라비아노, 다니엘 랑게루디, 플로리안 비에스커, 피에르루이지 리날디 , 마틴 토핀카, 폴 반 데르 베르프, 마누엘 고델, 토마스 헤닝, 피에르-올리비에 라가주, 톰 B. 레이, 이완 F. Van Deschock 및 Bart Vandenbosche, 2024년 6월 17일, 자연 천문학.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0