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우주 이야기 1571 - 우주 초기 탄생한 초거대 괴물 별의 증거를 포착하다.



 (Image showing how super massive stars develop. Credit: Devesh Nandal, Center for Astophysics Institute for Theory and Computing)

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과학자들은 제임스 웹 우주 망원경 관측을 통해 우주의 극초기부터 거대란 블랙홀과 은하가 존재했다는 사실을 확인했습니다. 하지만 어떻게 우주의 나이가 10억 년 정도밖에 되지 않은 시기에 이미 태양 질량의 수백만 배에서 수억 배가 넘는 거대 질량 블랙홀이 형성될 수 있는지 밝혀내지는 못했습니다.

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영국 포츠머스 대학 및 하버드 대학 스미소니언 천체 물리학 연구소 (University of Portsmouth in England and the Center for Astrophysics (CfA), Harvard and Smithsonian)의 과학자들은 우주 초기 은하 중 하나인 GS 3073을 제임스 웹 우주 망원경으로 관측해 초기부터 거대 질량 블랙홀이 탄생할 수 있는 단서를 찾아냈습니다.

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GS 3073는 적색 편이 Z = 5.55에 해당하는 초기 은하로 제임스 웹 우주 망원경으로 관측한 결과 질소와 산소의 비율이 0.46으로 질소의 비율이 상당히 높았습니다. 이 비율은 태양 같은 별이나 혹은 일반적인 무거운 별의 핵융합 반응에서 나올 수 있는 비율과는 달랐기 때문에 연구팀은 이를 설명할 수 있는 별을 이론적으로 계산했습니다.

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연구팀에 따르면 이 비율을 설명하기 위해서는 태양 질량의 1,000배에서 10,000배 사이의 극도로 무거운 별이 필요합니다. 이 경우 헬륨이 바로 연소 되면서 내부에 탄소 축적되고 탄소와 수소가 CNO 사이클(carbon/nitrogen/oxygen (CNO) cycle)을 통해 질소와 산소로 바뀌게 됩니다. 그리고 불안정한 상태의 무거운 별이 팽창과 수축을 반복하며 주변으로 산소와 질소 같은 물질을 내뿜게 됩니다.

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현재 우주에서 볼 수 있는 가장 무거운 별도 태양 질량의 100배 정도를 약간 넘을 뿐인데, 이런 별들은 극도로 불안정하고 수명이 매우 짧습니다. 연구팀의 모델에 의하면 태양 질량의 1,000배가 넘는 초거대 괴물 별들은 매우 짧은 삶을 마치고 초신성 폭발을 하는 대신 블랙홀로 바로 내부에서 중력 붕괴를 일으키면서 사라집니다. 그 결과 남는 것은 태양 질량의 수천 배에 달하는 블랙홀로 이들이 거대 질량 블랙홀로 빠르게 성장할 수 있는 씨앗이 됩니다.

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현재 관측 기술로는 우주 초기에 존재하는 초거대 종족 III (population III) 별이나 혹은 이 별의 붕괴로 만들어진 블랙홀을 관측하기 어렵지만, 만약 실제로 관측이 된다면 우주의 미스터리에 대한 중요한 퍼즐 하나를 맞출 수 있게될 것입니다.

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참고

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https://phys.org/news/2025-12-monster-stars-cosmic-dawn-astronomers.html

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Devesh Nandal et al, 1000–10,000M⊙Primordial Stars Created the Nitrogen Excess in GS 3073 atz= 5.55, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae1a63

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