(Artist's impression of the bright core region of a quasar, an active galaxy. The supermassive black hole in the center is surrounded by a bright disk of gas and dust. The dust component further out can obscure the view of the interior and shines predominantly in the mid-infrared range, light that can be analyzed by the James Webb Space Telescope. A bundled, high-energy particle beam protrudes into space from the immediate vicinity of the black hole perpendicular to the disk. Credit: T. Müller / MPIA)
과학지들은 허블 우주 망원경과 다른 강력한 지상 망원경으로 우주 초기에 생성된 거대 질량 블랙홀과 이 블랙홀이 만드는 퀘이사를 관측했습니다.
그런데 일부 우주 초기 블랙홀은 이미 태양 질량의 10억 배가 넘는 질량을 지녀 과학자들을 의아하게 만들었습니다. 기존의 블랙홀이나 은하 형성 이론에 따르면 이렇게 큰 블랙홀이 이 시기에 생성되는 것은 불가능하기 때문에 과학자들은 이를 설명할 수 있는 대인들을 고민했습니다.
가능성 있는 설명 중 하나는 초기부터 많이 먹기 때문에 크다는 것입니다. 이에 따르면 블랙홀 주변의 물질의 모임인 강착원반과 강착원반을 둘러싼 도넛 모양의 먼지와 가스인 토러스 (Torus)가 현재의 거대 질량 블랙홀과 다를 것입니다.
또 다른 설명은 지구에서 너무 먼 거리, 블랙홀 주변의 짙은 가스와 먼지 등으로 인해 질량을 너무 과대 평가했다는 설명입니다. 이 역시 가능성 있는 해석입니다.
이 가설들을 검증하기 위해 막스 플랑크 연구소의 사라 보스만 박사 (Dr. Sarah Bosman, Max Planck Institute for Astronomy (MPIA))와 동료들은 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 관측기 (MIRI)를 이용해 우주 초기의 거대 질량 블랙홀인 J1120+0641를 관측했습니다.
J1120+0641는 빅뱅 직후 7억7천만 년 밖에 되지 않은 시점에 나타난 퀘이사로 태양보다 60조배 정도 밝고 질량은 20억 배 정도되는 초대형 블랙홀입니다. 제임스웹 우주 망원경의 MIRI는 긴 파장에서 관측하기 때문에 이렇게 멀리 떨어져 있고 가스와 먼지가 많은 천체를 관측하는데 유리합니다. 따라서 이번 관측 결과는 이제까지 관측값 가운데 가장 정확도가 높습니다.
관측 결과 J1120+0641의 질량은 특별히 과대 측정된 것이 아니었습니다. 그리고 토러스 역시 온도가 수백도 더 높은 1300K인 것 빼고는 현재의 블랙홀과 별 다를 것이 없었습니다.
따라서 연구팀은 J1120+0641가 초기부터 질량이 매우 큰 것을 제외하면 특별한 블랙홀은 아니라는 결론을 얻었습니다. 연구팀이 생각하는 대안은 이 블랙홀이 항성 질량 블랙홀에서 시작한 것이 아니라 고밀도의 가스가 뭉처 처음부터 태양 질량의 수십만 뱌에 달하는 거대한 질량의 블랙홀로 시작했다는 것입니다. 그러면 강력한 중력으로 더 많은 물질을 초기부터 흡수할 수 있습니다.
거대 질량 블랙홀의 비밀은 처음부터 초대형 우량아였다는 것인데, 간단하지만 가장 합리적인 설명일지도 모릅니다.
참고
https://phys.org/news/2024-06-black-hole-inexplicable-mass-jwst.html
Sarah E. I. Bosman et al, A mature quasar at cosmic dawn revealed by JWST rest-frame infrared spectroscopy, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0
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