(Artist's concept of two quasars in the process of merging. Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick)
과학자들이 우주 초기에 합체 과정에 들어가고 있는 두 개의 거대 블랙홀을 발견했습니다. 애리조나 대학의 밍하오 웨 (Minghao Yue of the University of Arizona)가 이끄는 연구팀은 ALMA의 고해상도 관측 자료를 이용해 멀리 떨어진 퀘이사인 J2037–4537를 분석했습니다.
J2037–4537는 적색편이 5.7인 천체로 우주의 나이가 10억 년 이내로 아주 젊었을 시절의 천체입니다. 뒤집어 말하면 거리가 120억 광년 이상 아주 멀리 떨어진 천체라는 것이죠. 그런 만큼 아주 밝은 퀘이사가 아니면 쉽게 관축할 수 없습니다.
이전 관측에서 과학자들은 이 퀘이사가 실은 두 개의 은하 중심 블랙홀일 가능성을 발견했습니다. 은하 끼리의 충돌은 생각보다 흔하게 일어나고 특히 우주 초기에는 더 흔하게 발생했기 때문에 이는 이상한 일은 아니지만 과학자들은 이것이 진짜 두 개의 퀘이사 (막대한 물질을 뿜어내는 초기 은하 중심 블랙홀)인지 아니면 중력 렌즈 효과에 의한 허상인지 구분하기 어려웠습니다.
중력렌즈 효과는 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 빛이 중력에 의해 굴절되어 마치 렌즈처럼 확대되는 경우를 이야기합니다. 주로 은하나 은하단 처럼 중력이 큰 천체가 렌즈 역할을 하는데, 아무래도 인공적인 렌즈처럼 깔끔하게 초점이 맞지 않다보니 상이 여러 개로 나타나는 경우도 존재합니다.
연구팀은 J2037–4537가 그런 경우인지 확인하기 위해 ALMA로 상세한 관측과 분석을 시도했습니다. 이온화 탄소(CII) 방출선을 J2037-4537에 걸쳐 관찰한 결과 연구팀은 이 방출선이 두 은하 사이로 뻗어 있는 것을 발견했습니다. 이 연결 고리는 두 은하가 병합될 때, 두 블랙홀의 의해 물질 흐름이 서로에게서 끌어당겨지면서 만들어졌을 가능성이 높습니다. 쉽게 말해 블랙홀이 하나가 아니라 두 개라는 이야기입니다.
참고로 두 퀘이사의 배경 은하 모두 거대하고 별 형성 활동이 활발한 은하입니다. 각각의 은하는 최소 태양 질량의 100억 배이며, 연간 태양 질량 500개 이상의 별을 형성하고 있습니다.
연구팀에 따르면 J2037–4537는 가장 먼 거리에서 발견된 두 개의 퀘이사 시스템입니다. 하지만 아직 쌍성계를 이룬 상태는 아니며 수천 광년 떨어진 거리에서 서서히 접근하고 있습니다. 연구팀응 J2037-4537이 퀘이사 쌍에서 중력적으로 결합된 초거대 블랙홀 쌍성계로 전환되는 데 약 21억 년이 걸릴 것으로 보고 있습니다. 대략 적색편이 2 부근 정도의 시간입니다.
두 퀘이사가 결국 합쳐지면 펄서 타이밍 어레이(PTA)가 감지할 수 있는 저주파 중력파가 방출될 것입니다. PTA는 펄서를 이용해 우주 규모의 거대한 중력파를 검출하는 방법입니다.
최근 PTA 실험에서 은하 진화 모델이 예측했던 것보다 더 강한 중력파 배경이 관측되었기 때문에 이번 연구와 연결해서 생각하면 훙미로운 가능성을 제기할 수 있습니다. 만약 이런 시스템이 생각보다 흔하다면 부분적으로 설명될 수 있기 때문입니다.
앞으로 관측을 통해 초기 우주에 있었던 대형 블랙홀의 충돌과 합체에 대한 정보가 더 많이 등장할 것으로 예상합니다.
참고
https://phys.org/news/2026-04-blazing-quasars-caught-waltzing-merger.html
Minghao Yue et al, A Close Quasar Pair in a Massive Galaxy Merger at $z=5.7$, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2604.06504
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