초기 우주에서 발견된 거대한 제트

오랜 기간의 천문 관측을 통해 과학자들은 대부분의 은하 중심부에 거대한 블랙홀이 존재한다는 것을 알고 있습니다. 이 블랙홀로 빨려 들어가는 가스와 먼지는 마찰로 인해 막대한 에너지를 방출하며, 퀘이사라고 불리는 밝은 은하핵을 형성하고, 고에너지 물질의 제트를 내뿜습니다. 이러한 제트는 전파 망원경으로 먼 거리까지 관측할 수 있습니다. 우리 국부 우주에서는 이러한 전파 제트가 드물지 않게 발견되지만, 멀리 떨어진 초기 우주에서는 지금까지 포착하기 어려웠습니다.

 

 

거대한 제트의 발견

여러 망원경을 결합하여, 천문학자들은 초기 우주에서 지금까지 발견된 것 중 가장 큰 제트를 발견했습니다. 이 제트는 최소 20만 광년에 걸쳐 뻗어있으며, 이는 우리 은하의 두 배 너비에 해당합니다. 국제 저주파 배열(LOFAR) 망원경을 사용하여 제트의 존재를 처음 확인했습니다. 이후 제미니 근적외선 분광기(GNIRS)를 이용한 근적외선 관측과 Hobby Eberly 망원경을 이용한 광학 관측을 통해 전파 제트와 이를 생성하는 퀘이사에 대한 완전한 그림을 그릴 수 있었습니다. 이러한 발견은 초기 우주에서 최초의 대규모 제트가 형성되는 시기와 메커니즘에 대한 통찰력을 얻는 데 매우 중요합니다. GNIRS는 미국 국립과학재단(NSF)의 일부 자금 지원을 받아 NSF NOIRLab에서 운영하는 국제 제미니 천문대의 한 부분인 제미니 북쪽 망원경에 탑재되어 있습니다.

 

 

연구의 의의

NOIRLab의 박사후 연구원이며 이 결과를 담은 논문의 제1 저자인 Anniek Gloudemans는 초기 우주에서 강력한 전파 제트를 가진 퀘이사를 찾고 있었으며, 이는 최초의 제트가 언제 어떻게 형성되는지, 그리고 은하의 진화에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 된다고 말했습니다. 퀘이사의 질량과 물질 소비율과 같은 속성을 파악하는 것은 퀘이사의 형성 과정을 이해하는 데 필수적입니다. 연구팀은 이러한 매개변수를 측정하기 위해 MgII(마그네슘) 넓은 방출선으로 알려진 퀘이사가 방출하는 특정 파장의 빛을 찾았습니다. 일반적으로 이 신호는 자외선 파장 범위에서 나타납니다. 그러나 우주의 팽창으로 인해 퀘이사에서 방출된 빛이 더 긴 파장으로 ‘늘어나’ 지구에 도달할 때 근적외선 파장 범위에서 GNIRS로 감지할 수 있습니다. 이번 발견은 초기 우주의 거대한 제트 형성에 대한 중요한 단서를 제공하며, 우주 진화 연구에 새로운 장을 열 것으로 기대됩니다.

 

초기 우주 퀘이사의 강력한 제트, J1601+3102

J1601+3102라는 이름의 퀘이사는 우주가 현재 나이의 9%에 불과했던 12억년도 채 되지 않았을 때 형성되었습니다. 퀘이사는 태양 질량의 수십억 배에 달하는 질량을 가질 수 있지만, 이 퀘이사는 태양 질량의 4억 5천만 배로 비교적 작은 편입니다. 양쪽으로 뻗어 나가는 제트는 밝기와 퀘이사로부터 뻗어 나가는 거리 모두 비대칭적인 모습을 보이는데, 이는 극단적인 환경이 제트에 영향을 미치고 있음을 나타냅니다.

 

 

퀘이사 제트의 특징

이 거대한 전파 제트의 동력원인 퀘이사는 다른 퀘이사와 비교했을 때 극단적으로 큰 블랙홀 질량을 가지고 있지는 않다고 Gloudemans는 말합니다. 이는 초기 우주에서 강력한 제트를 생성하는 데 반드시 예외적으로 거대한 블랙홀이나 강착률이 필요한 것은 아님을 시사합니다. 이전에는 초기 우주에서 큰 전파 제트가 부족했던 이유로 우주 마이크로파 배경 복사, 즉 빅뱅 이후 남은 극미파 복사의 끊임없는 안개가 지목되었습니다. 이 지속적인 배경 복사는 일반적으로 그러한 먼 물체의 전파를 감소시킵니다.

 

관측의 어려움과 발견의 의의

이 천체가 매우 멀리 떨어져 있음에도 불구하고 지구에서 관측할 수 있는 것은 이 천체가 매우 극단적이기 때문이라고 Gloudemans는 말합니다. 이 천체는 서로 다른 파장에서 작동하는 여러 망원경의 힘을 결합함으로써 무엇을 발견할 수 있는지를 보여줍니다. 이 천체를 관측하기 시작했을 때, 남쪽 제트는 그저 관련 없는 근처의 천체일 뿐이라고 예상했고, 대부분 작은 크기일 것이라고 생각했다고 Durham 대학교의 박사후 연구원이며 논문의 공동 저자인 Frits Sweijen은 말합니다. LOFAR 이미지가 크고 상세한 전파 구조를 드러냈을 때 매우 놀랐다고 덧붙였습니다. 이 먼 천체의 특성상 더 높은 전파 주파수에서는 탐지하기 어려워서 LOFAR 자체의 능력과 다른 장비와의 시너지를 입증한다고 설명했습니다.

 

 

연구의 미래

과학자들은 J1601+3102와 같이 전파 밝은 퀘이사가 다른 퀘이사와 어떻게 다른지에 대한 많은 질문을 가지고 있습니다. 그러한 강력한 전파 제트를 생성하는 데 필요한 조건이 무엇인지, 우주에서 최초의 전파 제트가 언제 형성되었는지 등 여전히 불분명합니다. 제미니 북쪽 망원경, LOFAR, 그리고 Hobby Eberly 망원경의 협력적인 능 덕분에 우리는 수수께끼 같은 초기 우주를 이해하는 데 한 걸음 더 다가섰습니다.