초기 우주 거대 블랙홀의 ‘낮잠’ 포착

초기 우주에서 과식 후 ‘낮잠’을 자는 거대한 블랙홀이 과학자들에게 포착되었습니다. 마치 겨울잠을 자기 전 연어를 잔뜩 먹는 곰이나 크리스마스 만찬 후의 달콤한 낮잠처럼, 이 블랙홀은 과도하게 물질을 흡수한 나머지 모은하 안에서 휴면 상태에 들어간 것입니다.

 

 

제임스 웹 우주 망원경의 놀라운 발견

영국 케임브리지 대학교가 이끄는 국제 천문학 연구팀은 NASA/ESA/CSA 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 빅뱅 이후 불과 8억 년밖에 지나지 않은 초기 우주에서 이 블랙홀을 발견했습니다. 이 블랙홀은 태양 질량의 4억 배에 달하는 거대한 크기로, 현재까지 웹 망원경이 우주 초기 단계에서 발견한 블랙홀 중 가장 거대한 것 중 하나입니다. 특히 이 블랙홀은 모은하 전체 질량의 약 40%를 차지할 정도로 엄청난 규모를 자랑합니다. 이는 국부 우주에 존재하는 대부분의 블랙홀이 모은하 질량의 약 0.1%를 차지하는 것과 비교했을 때 매우 이례적인 현상입니다.

 

 

성장을 멈춘 거대 블랙홀의 비밀

놀라운 크기에도 불구하고, 이 블랙홀은 성장에 필요한 가스를 매우 느린 속도로 흡수하고 있습니다. 이는 이론상 최대 흡수 속도보다 약 100배나 낮은 수준으로, 사실상 휴면 상태라고 볼 수 있습니다. 이처럼 초기 우주에 이렇게 거대한 블랙홀이 존재하면서도 성장을 멈춘 상태는 기존의 블랙홀 형성 모델에 큰 도전 과제를 제시합니다. 연구진은 블랙홀이 매우 짧은 기간 동안 초고속 성장을 거친 후, 긴 휴면 기간을 갖는 것으로 추정하고 있습니다. 이러한 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’에 발표되었습니다.

 

‘낮잠’ 자는 블랙홀의 관측 어려움

블랙홀이 ‘낮잠’을 자는 동안에는 밝기가 훨씬 낮아지기 때문에 웹 망원경과 같은 고성능 망원경으로도 포착하기가 더욱 어렵습니다. 블랙홀은 직접 관측할 수는 없지만, 블랙홀 가장자리 근처에 형성되는 회전하는 강착 원반의 독특한 빛을 통해 감지됩니다. 강착 원반 속의 가스는 극도로 뜨거워지면서 자외선 영역에서 빛과 에너지를 방출하기 시작합니다. 이번 발견은 초기 우주 블랙홀의 진화 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 앞으로 블랙홀 연구에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

 

 

휴면 상태의 거대 블랙홀 발견의 의미

케임브리지 카블리 우주론 연구소의 주 저자인 이그나스 유오드즈발리스는 "이 블랙홀이 휴면 상태임에도 불구하고, 엄청난 크기 덕분에 우리가 감지할 수 있었다"고 말했습니다. 그는 또한 "휴면 상태 덕분에 모은하의 질량에 대해서도 알 수 있었다"며 "초기 우주는 비교적 작은 은하에서도 엄청난 크기의 천체를 만들어낼 수 있었다"고 덧붙였습니다.

 

 

기존 이론의 한계와 새로운 가능성

기존의 표준 모델에 따르면, 블랙홀은 수명을 다한 별의 잔해가 붕괴하면서 형성되고, 에딩턴 한계라고 알려진 예측된 한계까지 물질을 흡수합니다. 에딩턴 한계는 물질에 작용하는 복사압이 블랙홀의 중력을 이기는 지점을 의미합니다. 하지만 이 블랙홀의 엄청난 크기는 표준 모델이 이러한 거대 블랙홀의 형성과 성장을 적절하게 설명하지 못할 수도 있음을 시사합니다.

카블리 연구소와 케임브리지 캐번디시 연구소의 공동 저자인 로베르토 마이올리노 교수는 "블랙홀이 '큰 상태로 태어나는' 것이 가능하며, 이는 웹 망원경이 초기 우주에서 거대한 블랙홀을 발견한 이유를 설명할 수 있다"고 말했습니다. 그는 또한 "또 다른 가능성은 블랙홀이 과잉 활동 기간을 거친 후 긴 휴면 기간을 갖는 것"이라고 제시했습니다.

 

컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성장 과정 분석

이탈리아의 동료 연구진과 협력하여 케임브리지 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 휴면 상태의 블랙홀이 어떻게 그렇게 이른 시기에 그렇게 거대한 크기로 성장할 수 있었는지 모델링했습니다. 그 결과, 블랙홀이 짧은 기간 동안 에딩턴 한계를 초과하여 매우 빠르게 성장한 후, 긴 비활동 기간을 갖는 것이 가장 가능성 높은 시나리오라는 것을 발견했습니다. 연구진은 이러한 블랙홀이 약 5백만 년에서 천만 년 동안 물질을 흡수하고, 약 1억 년 동안 휴면 상태를 유지한다고 추정합니다.

마이올리노 교수는 "휴면 중인 블랙홀을 과잉 활동 기간으로 설명하는 것이 직관에 반하는 것처럼 들릴 수 있지만, 이러한 짧은 폭발적인 활동을 통해 대부분의 시간을 '낮잠'을 자면서도 빠르게 성장할 수 있다"고 설명했습니다. 이러한 연구 결과는 초기 우주에서 거대 블랙홀이 어떻게 형성되고 진화했는지에 대한 우리의 이해를 넓히는 데 중요한 역할을 합니다.

 

 

휴면 기간의 중요성과 발견의 의미

초고속 성장 기간보다 휴면 기간이 훨씬 길기 때문에, 천문학자들이 블랙홀을 발견할 가능성이 가장 높은 시기는 바로 이 휴면 기간입니다. 유오드즈발리스는 "이것은 박사 과정의 첫 번째 연구 결과였고, 그 놀라움을 깨닫는 데는 약간의 시간이 걸렸다"고 말했습니다. 그는 "천문학 이론 분야의 동료들과 이야기를 나누기 시작하고 나서야 이 블랙홀의 진정한 의미를 알 수 있었다"고 덧붙였습니다.

 

관측의 어려움과 새로운 발견의 가능성

낮은 광도 때문에 휴면 중인 블랙홀은 천문학자들이 감지하기에 더 어렵습니다. 하지만 연구진은 초기 우주의 블랙홀이 대부분의 시간을 휴면 상태로 보낸다면, 이번에 발견된 블랙홀은 훨씬 더 큰 빙산의 일각일 가능성이 높다고 말합니다. 즉, 아직 발견되지 않은 수많은 휴면 블랙홀이 존재할 수 있다는 것입니다.

 

 

숨겨진 블랙홀의 존재에 대한 기대

마이올리노는 "존재하는 블랙홀의 대다수는 이러한 휴면 상태에 있을 가능성이 높다"며 "이번에 이 블랙홀을 발견한 것은 놀라운 일이지만, 우리가 발견할 수 있는 블랙홀이 훨씬 더 많다는 것을 생각하면 매우 흥분된다"고 말했습니다. 이번 연구는 초기 우주 블랙홀의 진화에 대한 중요한 통찰력을 제공하며, 앞으로 더 많은 휴면 블랙홀이 발견될 가능성을 시사합니다. 이는 초기 우주와 은하의 형성과 진화를 이해하는 데 중요한 단서가 될 것입니다.