우주 최초 초거대 블랙홀과 퀘이사 발견

130억 년 전 형성돼…초기 거대 은하 형성 연구에 교두보 마련

지금까지 알려진 것 가운데 가장 멀리 있는 퀘이사(quasar)가 발견됐다.

빅뱅 직후 6억 7000만년 뒤에 관측된 이 퀘이사는 우리 은하보다 1000배나 밝으며, 태양 질량의 16억 배 이상에 달하는 초거대질량 블랙홀에 의해 구동되는 것으로 밝혀졌다.

130억 년 이상 전에 거의 완전히 형성된 것으로 보이는 이 초거대 은하는 지금까지 발견된 것 중 가장 초기의 것으로 천문학자들에게 초기 우주에서의 거대 은하 형성에 대한 통찰을 제공할 것으로 보인다.

J0313-1806로 명명된 이 퀘이사 발견 결과는 12일 미국천문학회(AAS) 1월 학술회의에서 발표됐고, ‘천문물리 저널 레터스(Astrophyiscal Journal Letters)’에 게재됐다.

초거대질량 블랙홀과 초고속 분출을 나타낸 퀘이사 J0313-1806의 그림. 빅뱅 이후 6억 7000만 년 뒤에 관측된 이 퀘이사는 우리 은하수보다 1000배 이상 밝고, 태양 질량의 16억 배 이상에 달하는 가장 초기의 초거대 블랙홀에 의해 구동된다. © NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

태양보다 10조 배 이상 밝아

초거대 블랙홀이 공급하는 열광적 에너지에 의해 구동되는 퀘이사는 우주에서 가장 에너지 넘치는 물체로 알려진다. 이 열광 에너지는 초거대 블랙홀 주변의 과열된 강착 원반에 있는 가스가 강제로 안쪽으로 당겨질 때 전자기 스펙트럼을 통해 에너지를 방출하면서 발생한다.

퀘이사에 의해 방출되는 전자기 복사량은 엄청나게 커서 질량상 전체 은하들을 쉽게 능가하는 사례들이 있다.

논문 공저자이자 미국 애리조나대 천문학과 석좌교수인 샤오후이 판(Xiaohui Fan) 박사는 “가장 멀리 있는 퀘이사는 최초의 블랙홀이 어떻게 형성되고, 우리 우주의 마지막 주요 단계 전환인 우주 재이온화(cosmic reionization)를 이해하는데 중요하다”고 말했다.

이번에 새로 발견된 J0313-1806은 우리 태양보다 10조 배 이상 밝으며, 이는 우리 은하 전체보다 1000배나 더 많은 에너지를 쏟아붓는다는 것을 의미한다. 이 퀘이사의 힘의 원천은 우리 태양 질량보다 16억 배나 큰 초거대질량 블랙홀이다.

이번에 발견된 것과 같은, 활성 은하핵을 가진 은하의 내부 구조. © WikiCommons

블랙홀 형성 이론에 도전장

우주 역사에서 이렇게 일찍 이 같은 거대 블랙홀이 존재했다는 것은 블랙홀 형성 이론에 도전장을 던지는 일이기도 하다. 그럴 시간이 거의 없었는데도 어떻게 이런 블랙홀이 존재하게 됐는지를 설명해야 하기 때문이다.

논문 제1저자이자 애리조나대 NASA 허블 펠로인 훼이지 왕(Feige Wang) 박사는 “최초의 거대한 별들에 의해 생성된 블랙홀은 불과 몇 억년 만에 이렇게 커질 수 없었을 것”이라고 말했다.

이번 발견으로 이어지게 된 관측은 세 개의 미국 국립과학재단(NSF) NOIRLab 시설인 인터어메리컨 관측소 세로 톨로도의 빅터 블랑코 4미터 망원경과, 칠레 소재 제미니 사우스, 하와이 소재 제미니 노스 관측소를 통해 수행됐다.

블랑코 망원경 데이터는 NOIRLab CSDC의 아스트로 데이터 랩을 통해 천문학 커뮤니티에 제공돼 J0313-1806을 처음 식별하는 데 도움이 됐다. 그리고 제미니 사우스 망원경 관측으로 퀘이사임을 확인했다.

퀘이사의 중심에 있는 초거대 블랙홀 질량은 하와이 마우나케아에 있는 제미니 노스와 켁(W. M. Keck) 천문대에서 확보한 고품질 스펙트럼을 활용해 측정했다.

이번 발견에 활용된, 미국 국립과학재단 NOIRLab 프로그램으로 운영되는 칠레 소재 제미니 관측소의 제미니 사우스 망원경 모습. © NOIRLab

초거대 블랙홀과 호스트 은하 연구 위한 자연 실험실

하와이 제미니 노스와 켁 천문대 관측은 이 ‘괴물’ 블랙홀의 질량을 측정하는 것 외에도 퀘이사에서 광속의 20%에 달하는 고속 바람 형태로 분출되는 매우 빠른 유출을 발견하는데 기여했다.

애리조나대 스튜워드 관측소의 지나 양(Jinyi Yang)과 피터 스트릿매터(Peter A. Strittmatter) 박사후 연구원은 “이런 극도의 고속 유출에 의해 방출되는 에너지는 전체 퀘이사 호스트 은하에서의 별 형성에 영향을 미칠 정도로 크다”고 설명했다.

이는 퀘이사가 호스트 은하를 성장시키는 최초의 사례로, 이 때문에 J0313-1806는 미래의 관측 연구를 위한 유망한 표적이 되고 있다.

J0313-1806을 수용하는 은하계는 우리 은하보다 200배나 빠른 속도로 새로운 별을 생성해 내는 뜨거운 ‘별 공장’ 역할을 수행하고 있는 것으로 보인다.

이와 같이 강렬한 별 형성과 빛을 발하는 퀘이사 그리고 고속 분출은 J0313-1806과 호스트 은하를 초기 우주에서 초거대질량 블랙홀과 호스트 은하의 성장을 이해하기 위한 유망한 자연 실험실로 만들었다.

훼이지 왕 박사는 “퀘이사 분출이 호스트 은하에 미치는 영향을 더 많이 배우고, 초기 우주에서 가장 거대한 은하들이 어떻게 형성됐는지를 계속 연구하겠다”고 밝혔다.

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