(A James Webb Telescope image shows the J0148 quasar circled in red. Two insets show, on top, the central black hole, and on bottom, the stellar emission from the host galaxy. Credit: MIT/NASA)
은하 중심에 있는 거대 질량 블랙홀은 막대한 질량과 강력한 중력으로 은하계 전체에 큰 영향을 미칩니다. 우리 은하 중심에는 태양 질량의 400만 배에 달하는 블랙홀이 존재하는데, 외부 은하에는 태양 질량의 수십억 배에 달하는 질량을 지닌 초거대 블랙홀도 존재합니다.
아마도 이런 거대 질량 블랙홀은 주변에서 물질을 흡수하고 은하 충돌을 통해 합체를 거듭하면서 커졌을 것입니다. 하지만 허블 우주 망원경과 제임스 웹 우주 망원경은 우주 초기에 이미 태양 질량의 10억 배에 달하는 거대 질량 블랙홀을 찾아 냈습니다. 이는 신생아의 무게가 어른과 비슷한 수준으로 기존의 블랙홀 생성 이론으로는 설명되지 않는 것입니다.
UCLA의 알렉산더 쿠센코 교수 (Alexander Kusenko, a professor of physics and astronomy at UCLA)와 대학원생인 이판 루 (Yifan Lu)는 아직 그 정체를 밝혀내지 못한 암흑 물질이 이 미스터리의 열쇠를 지니고 있을 가능성을 검토했습니다.
우주에 있는 물질의 대부분은 사실 정체를 알 수 없는 암흑물질입니다. 우리가 지금까지 관측한 모든 물질의 중력은 은하와 은라단을 잡아두기에 부족한 수준이기 때문에 과학자들은 우리가 알지 못하는 암흑 물질의 존재를 믿고 있습니다. 하지만 그 실체는 여전히 암흑 속애 숨어 있습니다.
연구팀은 이 암흑 물질 후보 중 일부가 서서히 붕괴하면서 조금씩 광자의 형태로 에너지를 방출할 가능성을 제시했습니다. 그러면서 수소 가스가 너무 빨리 차가워지는 것을 막는다면 우주 초기에 초대형 블랙홀이 탄생하게 도울 수 있습니다.
언뜻 생각하기에 지금보다 수소 가스의 밀도가 높은 초기 우주에는 가스에서 직접 초거대 블랙홀이 생길 수 있을 것 같아 보입니다. 하지만 수소 원자가 수소 분자가 된 후에는 에너지를 흡수해 가스를 금방 식게 만들기 때문에 거대한 가스 덩어리가 작은 단위로 응축해 별을 생성하는 쪽으로 진화합니다. 이런 상태에서는 거대 질량 블랙홀이 탄생할 수 없습니다.
하지만 만약 조금이라도 암흑 물질이 에너지를 방출한다면 양이 물질보다 훨씬 많기 때문에 수소 가스가 빠른 속도로 차가워지는 것을 막고 거대 질량 블랙홀의 생성을 촉진할 수 있습니다.
순수하게 이론적 예측이긴 하지만, 어쩌면 여기에 거대 질량 블랙홀의 생성은 물론이고 암흑 물질 자체에 대한 단서가 있을 수 있다는 점에서 흥미로운 주장입니다.
참고
https://phys.org/news/2024-08-dark-supermassive-black-holes-early.html
Yifan Lu et al, Direct Collapse Supermassive Black Holes from Relic Particle Decay, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.03909
#우주#블랙홀#거대질량블랙홀#암흑물질
댓글
댓글 쓰기