우주 '속도 제한'의 13배로 성장하는 규칙 파괴 블랙홀, 이론에 도전하다

글로벌 - 이크바리 뉴스 통신사

우주 '속도 제한'의 13배로 성장하는 규칙 파괴 블랙홀, 이론에 도전하다

우주 초기의 역사를 다시 쓰게 될지도 모를 놀라운 발견에서, 천문학자들은 블랙홀이 물질을 섭취하고 은하를 형성하는 제트를 생성하는 방식에 대한 근본적인 규칙을 깨는 고대의, 빠르게 물질을 섭취하는 퀘이사를 관측했습니다. ID830으로 알려진 이 물체는 극도로 밝고 활발한 초대질량 블랙홀(SMBH)로, 그 극에서 엄청난 양의 복사 제트를 뿜어내고 있습니다. 이 블랙홀은 블랙홀 성장의 '속도 제한'을 13배나 초과할 뿐만 아니라, 동시에 극심한 X선 및 전파 방출을 생성하고 있는데, 이 두 가지 특징은 현재 이론상으로는 공존할 수 없다고 예측됩니다. 이 발견은 과학자들이 우주와 그 안에 있는 가장 신비로운 존재들이 어떻게 작동하는지에 대한 이해를 재고하도록 강요하고 있습니다.

ID830은 예외적으로 거대합니다. 약 120억 년 전, 우주의 현재 나이의 약 15% 정도였을 때, 이미 4억 4천만 태양 질량에 달했습니다. 이는 우리 은하계 중심에 있는 SMBH인 궁수자리 A*보다 100배 이상 더 거대합니다. 우주 초기에 이렇게 빠르게 엄청난 질량에 도달했다는 사실은 우주 진화 모델에 상당한 의문을 제기합니다.

이러한 '규칙 파괴' 행동은 어떻게 가능한 걸까요? 1월 21일 The Astrophysical Journal에 발표된 논문에서 국제 연구팀은 해답을 찾기 위해 다양한 파장에서 ID830을 관측했습니다. 블랙홀은 우주에서 가장 탐욕스러운 포식자이지만, 심지어 이 괴물들에게도 먹이 섭취 한계가 있습니다. 가스와 먼지를 끌어당기면 이 물질은 소용돌이치는 강착 원반에 축적됩니다. 중력은 원반에서 물질을 블랙홀로 끌어당기지만, 낙하하는 물질은 외부로 밀어내는 복사 압력을 생성하여 더 많은 물질이 떨어지는 것을 방지합니다. 결과적으로 블랙홀은 에딩턴 한계라고 불리는 자체 조절 과정에 의해 '재갈이 물려' 있습니다.

그러나 블랙홀은 일시적으로 이 한계를 우회하여 초에딩턴 한계에서 급격한 성장 발작을 겪을 수 있습니다. 연구자들은 이러한 우주적 폭식에 대한 여러 메커니즘을 제안합니다. 예를 들어, 연구에 참여하지 않은 오스틴 텍사스 대학교의 천문학자 앤서니 테일러는 Live Science에 이메일을 통해 "복사 압력이 축적되어 강착률을 제한하기 전에 블랙홀이 에딩턴 한계보다 빠르게 물질을 섭취하는 것이 완벽하게 가능해야 합니다"라고 말했습니다. 또는 블랙홀이 적도 주변의 원반에서 물질을 섭취하는 동안, 외부 복사 압력이 극에서 물질을 방출할 수 있습니다. 테일러는 "이러한 상황에서는 복사 압력이 물질 유입에 직접적으로 반대하지 않아 에딩턴 한계를 초과할 수 있습니다. 이것이 작동할 수 있는 다양한 기하학적 구조가 있습니다!"라고 덧붙였습니다.

초에딩턴 역학은 초기 우주 관측의 확장되는 목록과 SMBH 성장 모델을 조화시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 탁월한 적외선 감도로 SMBH가 놀랍도록 빠르고 놀랍도록 일찍 성장하여 모든 예상을 뒤엎었음을 밝혀냈습니다. 그렇다면 SMBH는 어떻게 그렇게 빠르게 그렇게 커졌을까요? 일부 과학자들은 우주 역사상 최초이자 가장 큰 별인 3세대 별(Population III stars)이 붕괴하여 1,000개 이상의 태양 질량을 가진 블랙홀 '씨앗'을 생성했다고 제안합니다. 그러나 이 거대한 씨앗들도 관측된 일부 크기에 도달하려면 6억 5천만 년 이상 에딩턴 한계에서 먹이를 섭취해야 했을 것입니다. 이러한 장기간의 폭식을 유지하는 데 필요한 엄청난 양의 가스를 포함하여 여러 가지 이유로 이 위업은 불가능해 보일 수 있습니다.

연구원들은 자외선(UV) 및 X선 파장에서 ID830의 밝기를 측정하여 성장률을 계산했습니다. X선 밝기는 ID830이 에딩턴 한계의 약 13배로 질량을 강착하고 있음을 시사합니다. 이는 ID830이 너무 가까이 다가온 천체를 파쇄하고 삼키면서 발생했을 수 있는 갑작스러운 가스 유입 폭발 때문입니다. 도쿄 와세다 대학의 관측 천문학자이자 연구 공동 저자인 오부치 사키코는 Live Science에 이메일을 통해 "ID830과 같이 거대한 SMBH의 경우, 이는 일반적인 (주계열) 별이 아니라 더 거대한 거성 또는 거대한 가스 구름이 필요할 것입니다"라고 말했습니다. 오부치는 이러한 초에딩턴 단계는 "이 전환 단계는 약 300년 동안 지속될 것으로 예상됩니다"라고 덧붙이며 믿을 수 없을 정도로 짧을 수 있다고 언급했습니다.

ID830은 또한 동시에 전파 및 X선 방출을 보여줍니다. 이 두 가지 특징은 특히 초에딩턴 강착이 이러한 방출을 억제하는 것으로 생각되기 때문에 공존할 것으로 예상되지 않습니다. 연구원들은 성명에서 "이 예상치 못한 조합은 극심한 강착 및 제트 발사 모델에서 아직 완전히 포착되지 않은 물리적 메커니즘을 시사합니다"라고 말했습니다. 따라서 ID830이 거대한 전파 제트를 발사하는 동안, X선 방출은 강착 원반에서 오는 강렬한 자기장이 얇지만 난류적인 10억 도의 과급 입자 구름을 생성하여 형성되는 코로나라는 구조에서 비롯되는 것으로 보입니다. 이 입자들은 NASA가 "우주에서 가장 극심한 물리적 환경 중 하나"라고 부르는 곳에서 거의 빛의 속도로 블랙홀 주위를 공전합니다.

종합적으로, ID830의 규칙 파괴적인 행동은 과도한 소비와 배출의 희귀한 전환 단계에 있음을 시사합니다. 이 놀라운 먹이 섭취 폭발은 제트와 코로나 모두에 에너지를 공급하여 ID830이 여러 파장에서 밝게 빛나게 하며 과도한 복사를 뿜어내고 있습니다. 또한, UV 밝기 분석에 따르면 ID830과 같은 퀘이사들은 예상외로 흔할 수 있다고 연구원들은 말했습니다. 모델은 퀘이사의 약 10%만이 화려한 전파 제트를 가지고 있다고 예측하지만, 이러한 고에너지 물체는 이전에 제안된 것보다 초기 우주에서 훨씬 더 풍부할 수 있습니다.

가장 중요하게도, ID830은 SMBH가 초기 우주에서 은하 성장을 어떻게 조절할 수 있는지도 보여줍니다. 블랙홀이 초에딩턴 한계에서 물질을 삼킬 때, 그 결과 방출되는 에너지로 인해 성간 매질(별들 사이의 가스) 전체에 물질을 가열하고 분산시켜 별 형성을 억제할 수 있습니다. 결과적으로 ID830과 같은 고대 SMBH는 숙주 은하를 희생하여 거대하게 성장했을 수 있습니다. 오부치는 "초에딩턴 블랙홀이 우리가 생각했던 것보다 더 흔하다면, 이는 초기 우주에서 물체가 어떻게 형성되었는지에 대한 우리의 이해에 여전히 큰 공백이 있음을 의미할 것입니다. 이 발견은 제임스 웹 우주 망원경에서 나온 증가하는 증거 더미에 추가됩니다. 이는 고대 우주의 별, 은하, 블랙홀이 이론이 말하는 것보다 훨씬 더 크고 성숙해 보인다는 것을 보여줍니다"라고 결론지었습니다.

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