관측 역사상 가장 오래된 초대질량 블랙홀 발견

천문학 관측 사상 가장 오래된 거대 질량 블랙 홀의 발견 초기 우주의 거대 천체는 이론의 예측보다 많은 물질을 흡수하고 있다.한계를 넘는다:천문학자들은 초기 은하 중심부에서 지금까지 관측된 가장 오래된 블랙 홀을 발견했다.이 블랙 홀은 이미 빅뱅 발생 4억년 뒤에 존재했다.그러나 놀라운 사실은 태양의 질량 약 100만개에 이르는 이 블랙 홀이 이론의 예측보다 더 빨리 주변의 물질을 ” 먹어 버려”라고 하는데 연구 팀이 네이처 잡지에 보고한 바에 의하면 물질을 흡수 속도는 이른바”에딩턴 한계”을 5배나 초과하다.이는 초기 우주의 거대한 중력 천체가 어떻게 그렇게 빠른 강력하게 성장할 수 있었는지를 설명할 것.나디야·포도브레가(Nadja Podbregar), 2024.01.18출처:https://www.scinexx.de/news/kosmos/aeltestes-schwarzes-loch-ist-ueberaktiv/https://www.nature.com/articles/s41586-024-07052-5※2024.1.17일”네이처”에 발표된 논문에 대한 독일 온라인 과학 저널 scinex.de에 실린 2024년 1월 18일 보도 기사에서 GN-z11은하에서 발견된 거대 질량 블랙 홀에 관한 기사는 이날 전 세계 언론에 보도되었습니다.

천문학자들은 관측 사상 가장 오래된 블랙홀을 발견했다. 먼 은하 GN-z11의 활동성 핵인 이 블랙홀은 빅뱅 발생 4억 년 뒤에 존재했다. ESO/ M. Kornmesser, CC-by 4.0

수많은 관측은 이미 초기 우주에 놀랄 만큼 거대한 질량의 블랙 홀이 존재했음을 알리는데 이는 천문학의 가장 큰 난제 하나이다.빅뱅이 발생하기 약 7억년 후 이미 태양 질량 15억배를 넘는 크에이사ー이 존재했다.그리고 이보다 더 오래 된 블랙 홀의 무게는 태양 질량 수백만개에 달했다.그런데 블랙 홀은 어떻게 그렇게 빨리 컸지?기존 이론에 따르면 거대 질량 블랙 홀은 초신성에 의해서 생성된 항성 질량급 전구가 점진적으로 성장하고 형성된다.그러나 블랙 홀이 물질을 집어삼킬 속도로 “착륙률”는 이른바”에딩턴 한계”에 의해서 제한된다.그래서 빅뱅 이후의 시간은 그렇게 거대한 블랙 홀을 형성하는 데는 사실 너무 짧았다.그럼 초기의 거대 블랙 홀은 어떻게 그렇게 빨리 성장했을까?가능한 설명으로 복수의 블랙 홀 병합을 통한 중간 질량의 “블랙 홀 종자”의 형성 또는 거대한 가스 구름의 붕괴 또는 에딩턴 한계를 넘어서착륙 등이 논의되고 있다.블랙 홀의 스펙트럼 지문

초기 은하 GN-z11의 허블 이미지. NASA/ESA, P. Oesch(예일대학), G. Brammer(STSCI), P. van Dokkum(예일대학) 및 G. 일링워스(샌타크루즈 캘리포니아대)

케임브리지 대학의 로베르토·마이오리노이 이끄는 천문학자들이 지금까지 발견된 가장 멀리 있어서 가장 오래된 블랙 홀인 초기 우주의 거대 중력 천체를 발견했습니다.이 블랙 홀은 빅뱅에서 약 4억년 뒤에 존재하는 이례적인 밝기로 이미 허블 이미지로 주목 받던 먼 초기 은하 GN-z11에서 발견되었습니다.연구 팀은 이 광도의 원인을 밝히기 위해서 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 근 적외 분광기를 사용하고 GN-z11의 빛을 분석했습니다.그 결과, 스펙트럼에는 GN-z11의 중심으로 활동성 블랙 홀이 존재함을 나타내는 여러 스펙트럼 선이 보였습니다.이런”활동 은하 핵(AGN:active galactic nucleus)”을 가리키는 지표의 하나는 이온화된 네온(Ne-IV)의 이중 스펙트럼입니다.마이오리노와 그의 동료들은 “이 스펙트럼 선은 63.5전자 볼트 이상의 에너지를 가진 광자를 필요로 하기 때문에 Ne-IV는 명확한 AGN은 추적자”라고 설명합니다.연구진은 스펙트럼에서 AGN에 특징적인 탄소선도 확인할 수 있었습니다.나이치고는 너무 무겁습니다. 그러므로 GN-z11은하는 활동성 블랙 홀을 담고 있어야 합니다.연구진은 이 블랙 홀이 빅뱅에서 4억년 뒤에 존재하는 이로써 현재까지 알려진 블랙 홀 안에서 가장 오래된 블랙 홀이라고 보고합니다.연구진은 이 초기 우주의 거대 중력 천체의 무게가 약 100만개의 태양 질량에 이르렀다고 추정하고 있습니다.이 정도로도 이 블랙 홀은 비정상적으로 거대합니다.그래서 이 초기 우주의 거대 블랙 홀이 어떻게 이렇게 빨리 성장할 수 있었는지에 대해서 의문이 제기됩니다.이 블랙 홀이 방출하는 방사선이 단서가 될 가능성이 있습니다.천문학자들이 밝힌 것처럼 블랙 홀의 광도는 1초당 1045erg의 막대한 에너지 출력에 해당합니다.”이런 광도는 에딩턴 한계보다 5배는 비쌀 거야”라고 합니다.이것이 확인되면 이 초기의 블랙 홀은 이론적으로 요구되는 강착 상한보다 5배 빠르고 더 많은 물질을 흡수할 것입니다.에딩턴 한계를 넘은 성장인가요?마이오리노와 그의 동료들은 “이런 『 슈퍼 에딩턴 강착(super-Eddington accretion)』은 초기 우주에서 빠르게 성장하는 질량 블랙 홀에 대해서 제시된 여러 시나리오 중 하나”라고 설명합니다.이에 따르면 초기 우주의 이들 천체는 적어도 일정 기간은 에딩턴 한계를 넘어설 수 있었습니다.그 결과 GN-z11의 활성 핵은 수억년 만에 항성 질량급 블랙 홀로부터 관측된 크기의 거대 질량 블랙 홀에 성장하는 데 충분한 물질을 흡수했을 것입니다.그러나 이는 이”과잉 활동성(overactive)”은하 핵의 모금에서 지속적인 여파를 초래하죠:블랙 홀의 강렬한 방사선은 성간 매질의 많은 부분을 은하 밖으로 털어내고 새 별이 형성되는 가스 공급원도 함께 씻어 버린다.그 결과 새로운 별의 형성이 거의 중단되고 은하계는 이에 의해서 작은 크기로 유지됩니다.실제, 학자들은 GN-z11로 별 형성율이 급격히 떨어졌다는 징후를 처음 발견했습니다.이례적인 광도의 설명과 활동성 블랙 홀의 발견은 다른 미스터리, 즉 GN-z11과 다른 초기 은하의 이례의 광도를 풀어 줄지도 모릅니다.연구진은 “AGN시나리오는 GN-z11의 이례적인 광도를 자연스럽게 설명할 수 있다.”이라고 밝혔다.이러한 은하의 중심 블랙 홀이 예상보다 많은 물질을 흡수하면 그에 상응하는 방사선의 방출도 높아집니다.이것은 계속 그런 은하의 높은 광도를 설명할 수 있습니다.(Nature, 2024;doi:10.1038/s41586-024-07052-5)