우주 이야기 1619 - 서로 가까워지고 있는 우주 초기 퀘이사

 (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