우주 이야기 1352 - 우주 극초기의 거대 질량 블랙홀

 (This image contains the most distant black hole ever detected in X-rays, a result that may explain how some of the first supermassive black holes in the universe formed. As we report in our press release, this discovery was made using X-rays from NASA’s Chandra X-ray Observatory (purple) and infrared data from NASA’s James Webb Space Telescope (red, green, blue). The extremely distant black hole is located in the galaxy UHZ1 in the direction of the galaxy cluster Abell 2744. The galaxy cluster is about 3.5 billion light-years from Earth. Webb data, however, reveal that UHZ1 is much farther away than Abell 2744. At some 13.2 billion light-years away, UHZ1 is seen when the universe was only 3% of its current age. Credit: Chandra X-ray Center)

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(Formation of a Heavy Seed Black Hole from Direct Collapse of a Massive Cloud of Gas (Credit: NASA/STScI/Leah Hustak))

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과학자들이 우주 극초기의 거대 질량 블랙홀을 발견했습니다. 나사의 찬드라 X 선 데이터와 제임스 웹 우주 망원경 데이터를 이용해 포착한 UHZ1는 1세대 은하들이 형성된 빅뱅 직후 4억 7천만 년 후의 것으로 이미 태양 질량의 1000만 배에서 1억 배에 달하는 수준입니다.

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퍼센트로 생각하면 우주 나이의 3%에 불과한 극초기에 이미 현재 은하 중심 블랙홀과 비슷한 크기의 은하 중심 블랙홀이 있는 것입니다. 그리고 지금까지 관측된 가장 먼 블랙홀이기도 합니다.

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이런 초거대 질량 블랙홀 (supermassive black hole)은 주로 은하 중심에서 볼 수 있습니다. 우리 은하의 경우 태양 질량의 400만 배에 달하는 거대 질량 블랙홀이 중심부에 존재합니다.

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이런 거대 질량 블랙홀이 어떻게 생기고 성장하는지는 은하의 진화와 성장과 밀접한 연관이 있기 때문에 과학자들의 중요 관심사 중 하나였습니다.

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연구의 1저자인 하버드 스미스소니언 천체 물리학 연구소의 아코스 보드단 (Akos Bogdan of the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)이 이끄는 연구팀은 이번 연구에서 이 질문에 대한 결정적인 답을 찾아 냈습니다.

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(Credit: Chandra X-ray Center)

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블랙홀의 성장 속도에는 물리적 한계가 존재하기 때문에 이런 초대형 블랙홀이 초신성 폭발 후에 생기는 항성 질량 블랙홀에서 성장하는 것은 무리입니다. 따라서 이 블랙홀은 고밀도의 가스가 자체 중력으로 블랙홀로 바로 붕괴해서 생긴 것으로 생각됩니다.

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하지만 UHZ1는 이점을 생각해도 예외적인 특징을 지니고 있습니다. 일반적인 거대 질량 블랙홀이 은하 질량의 1/10에서 1/100 수준인 것과 달리 UHZ1는 블랙홀을 제외한 은하 자체 질량과 맞먹는 질량을 지닌 것으로 보입니다.

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초기에는 이런 형태로 급성장한 거대 질량 블랙홀이 주변 은하를 삼키면서 현재와 같은 형태로 진화하는지 아니면 UHZ1가 예외적인 경우인지는 더 많은 관측을 통해 알아내야만 합니다.

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참고로 UHZ1의 거리가 워낙 멀기 때문에 이번 관측은 지구에서 35억 광년 떨어진 거대 은하단인 Abell 2744의 중력 렌즈 덕분에 관측이 가능했습니다. 과학자들은 답을 찾기 위해 다른 중력 렌즈를 열심히 찾아 볼 것입니다.

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참고

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https://phys.org/news/2023-11-nasa-telescopes-record-breaking-black-hole.html

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Akos Bogdan et al, Evidence for heavy seed origin of early supermassive black holes from a z~10 X-ray quasar, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 . www.nature.com/articles/s41550-023-02111-9 , On arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.15458

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Andy D. Goulding et al, UNCOVER: The Growth of the First Massive Black Holes from JWST/NIRSpec—Spectroscopic Redshift Confirmation of an X-Ray Luminous AGN at z = 10.1, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acf7c5