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우주 이야기 1451 - 이론적 한계보다 40배나 더 많은 물질을 흡수하는 블랙홀




 (This artist's illustration shows a red, early-universe dwarf galaxy that hosts a rapidly feeding black hole at its center. Using data from NASA's JWST and Chandra X-ray Observatory, a team of U.S. National Science Foundation NOIRLab astronomers have discovered this low-mass black hole at the center of a galaxy just 1.5 billion years after the Big Bang. It is accreting matter at a phenomenal rate — over 40 times the theoretical limit. While short lived, this black hole's 'feast' could help astronomers explain how supermassive black holes grew so quickly in the early universe. Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani)

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강한 중력으로 빛을 포함한 우주의 모든 물질을 빨아들일 수 있는 블랙홀이지만, 너무 많이 흡수하는 경우 오히려 상당한 물질을 아광속 제트로 내뿜는 특징을 지니고 있습니다. 흡수된 물질이 블랙홀 주변 궤도에 거대한 도넛 모양 디스크인 강착 원반을 형성하는데, 강착원반의 물질이 강한 중력과 회전으로 가열되면 너무 뜨거워지면서 밖으로 빠져나가게 되고 결국 자기장을 따라 제트의 형태로 분출되는 것입니다.

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따라서 블랙홀이라는 이름과 달리 은하 중심 블랙홀은 엄청난 에너지를 방출하면서 밝게 빛납니다. 그리고 아이러니하게도 많은 물질을 흡수하는 초기 은하 블랙홀인 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체입니다. 이렇게 물질을 한번에 많이 흡수하지 못하고 내뿜는 특징은 블랙홀의 급속한 성장을 막고 은하 물질의 재분배를 돕는 것으로 생각되고 있습니다. 아무튼 이렇게 빨아들이는 힘과 분출하는 힘이 균형을 이루기 때문에 블랙홀은 크기에 따라 흡수할 수 있는 물질의 이론적 한계가 존재하며 이를 에딩턴 한계 (Eddington limit)라고 부릅니다.

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국제 제미니 천문대 및 미 국립 과학 재단 NOIRLab의 서혜원 (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab astronomer Hyewon Suh)이 이끄는 연구팀은 찬드라 X선 망원경의 코스모스 레거시 서베이 (Chandra X-ray Observatory's COSMOS legacy survey)에서 포착한 초기 우주의 매우 밝은 은하 중심 블랙홀인 LID-568를 제임스 웹 우주 망원경을 이용해 관측했습니다.

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관측 결과 LID-568는 에딩턴 한계보다 40배나 빠른 속도로 물질을 흡수하는 것으로 나타났습니다. 어떻게 이런 일이 가능한지는 아직 모르지만, 이 관측 결과가 옳다면 최근 잇따라 발견되면서 기존 이론에 도전장을 던진 초기 우주의 대형 블랙홀에 대한 설명이 가능해집니다. 기존에 생각했던 것보다 블랙홀이 더 많은 물질을 흡수할 수 있다면 당연히 초반부터 더 큰 블랙홀이 가능해지기 때문입니다.

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블랙홀은 대중에게도 친숙한 존재이지만, 아직도 모르는 부분이 많은 미지의 천체입니다. 특히 초기 우주에서 은하 중심 블랙홀의 역할은 지금보다 중요했을 것으로 보이지만, 아직 이렇게 잘 모르는 부분들이 많습니다. 앞으로 추가 관측과 이론적 연구를 통해 블랙홀에 대한 지식과 이해가 더 넓어지고 새로운 사실을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2024-11-black-hole-early-universe-consuming.html

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A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9. www.nature.com/articles/s41550-024-02402-9

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