UHZ1 블랙홀 - 빅뱅 이후 첫 세대 블랙홀 탄생

천문학자들이 X선 관측을 통해 가장 멀리 있는 블랙홀을 포착해냈다.

이제 막 태어난 이 블랙홀은 지금까지 관측된 바 없는 새로운 유형의 블랙홀로서 이 블랙홀은 자신을 품고 있는 은하와 맞먹는 질량을 가지고 있다. 
이번 관측을 통해 우주가 막 형성되던 당시, 초대질량블랙홀(Supermassive Black Hole)이 어떻게 생겨났는지를 설명할 수 있을지 모른다. 
천문학자들은 찬드라 X선 망원경의 관측 데이터와 제임스웹 우주망원경의 데이터를 조합하여, 빅뱅 후 고작 4억 7천만 년 밖에 되지 않은 우주에서 성장하고 있는 블랙홀을 발견할 수 있었다.  

 

IMAGE CREDIT X-ray: NASA/CXC/SAO/Akos Bogdan; Infrared: NASA/ESA/CSA/STScI; Image Processing: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand

사진설명 : 이 사진은 Abell 2744 은하단과 그 뒤에 있는 UHZ1은하의 모습을 보여주고 있다.
X선 데이터는 찬드라 X선 망원경이, 적외선 데이터는 제임스웹 우주망원경이 촬영한 것이다. 

네이처 아스트로노미(the journal Nature Astronomy)에 개재된 논문의 주저자인 하바드 스미스소니언 천체물리학 센터 에이코스 보그단(Akos Bogdan)은 이처럼 멀리 떨어진 은하를 발견하기 위해서는 제임스웹 우주망원경이 필요했고, 찬드라 X선 망원경으로 이 은하의 블랙홀을 발견했다면서 이번 발견에는 우주 돋보기 효과도 누릴 수 있었다고 말했다. 
여기서 말하는 돋보기 효과란 중력렌즈 현상을 말한다. 

보그단의 연구팀이 블랙홀을 발견한 방향은 35억 광년 거리에 있는 Abell 2744은하단 방향이었다.
연구팀은 이번에 발견된 블랙홀을 품고 있는 은하에 UHZ1이라는 이름을 붙였다 
물론 제임스웹 우주망원경이 발견한 UHZ1 은하는 은하단보다 훨씬 멀리 떨어진 132억 광년 거리에 있다.
이 거리는 우주의 나이가 현재 대비 고작 3%밖에 안 된 시점이다. 

제임스웹 우주망원경이 발견한 은하를 찬드라 X선 망원경을 이용하여 2주 이상 관측한 결과 강력한 초고온의 X선 복사를 관측할 수 있었는데 이는 초대질량블랙홀이 보여주는 전형적인 현상이었다. 

은하에서 나오는 빛과 블랙홀 주변의 가스에서 복사되는 X선은 Abell 2744 은하단이 제공하는 중력렌즈효과에 의해 약 4배 증가되었으며 이렇게 강화된 적외선과 X선이 제임스웹 우주망원경과 찬드라 X선 망원경에 의해 포착된 것이다.  

이번 발견은 어떻게 빅뱅 이후 곧장 초대질량블랙홀이 만들어질 수 있었는지를 이해하는데 있어 아주 중요한 발견이다. 

과연 어마어마하게 큰 가스 구름이 붕괴하여 단번에 태양질량의 1반 배에서 10만 배에 달하는 블랙홀이 만들어지는걸까?
아니면 첫 세대의 별이 폭발하면서 태양질량의 10배에서 100배 사이의 블랙홀이 만들어지는 걸까?

프린스턴 대학의 앤디 굴딩(Andy Goulding)은 블랙홀이 한 번에 빠르게 자라기에는 물리적 한계가 있으며 좀더 크게 시작한 것일수록 좀더 무거운 블랙홀이 된다면서 다음과 같은 예를 들었다.
"이건 묘목을 심는 것과 같습니다. 묘목은 씨를 뿌려 자라는 나무보다 성체가 될때까지 소요되는 시간이 그만큼 짧죠."

굴딩은 이번 논문의 공동저자이자 제임스웹 우주망원경이 취득한 분광데이터를 활용하여 은하까지의 거리와 질량을 측정한 논문의 주저자이다.
굴딩의 논문은 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal Letters)에 개재되었다. 

연구팀은 이 블랙홀이 애초에 무거운 질량을 가지고 탄생했다는 강력한 증거를 찾아냈다. 
이 블랙홀의 밝기와 X선 양으로 판단하건데 이 블랙홀의 질량은 태양질량 대비 천만 배에서 1억 배 사이이다. 
이 블랙홀의 질량은 자신을 품고 있는 은하의 모든 별을 합친 질량과 비슷하다. 
이러한 결과는 대개 0.1% 정도 질량의 블랙홀을 품고 있는 동일 시점의 다른 은하들과 비교하면 아주 이례적인 현상이다. 

어마어마한 질량을 가지고 있음에도 어린 나이, 블랙홀이 뿜어내는 X선, 제임스웹 우주망원경이 포착한 은하의 밝기 등 
이 모든 것은 거대한 가스구름의 붕괴로부터 직접적으로 만들어지는 '보통 이상 크기 블랙홀(Outsize Black Hole)'을 예견한 2017년 논문의 이론적 예상치와 일치한다.  

2017년 논문의 공동저자인 프리얌바다 나타라잔(Priyamvada Natarajan)은 이번 관측이 '보통 이상 크기 블랙홀(Outsize Black Hole)'을 관측한 첫 사례이자 막대한 가스구름으로부터 블랙홀이 만들어진다는 것을 보여준 최상의 증거라며 이번 관측은 자신을 품고 있는 은하와 거의 맞먹는 질량을 가진 초대질량블랙홀이 은하 중심으로 숨어들기 전 짧은 순간을 목격한 최초의 관측이라는 소감을 밝혔다. 

과학자들은 제임스웹 우주망원경의 관측 데이터 및 이를 다른 망원경의 관측 데이터들과 결합하여 초기 우주 전반에 대한 그림을 그릴 계획을 세우고 있다.

중간에 버티고 선 은하단에 의해 확대된 머나먼 은하의 빛을 포착한 허블우주망원경의 관측 실적은 이번 제임스웹 우주망원경과 찬드라 x선 망원경의 관측에 부분적인 동기가 되었다. 

제임스웹 우주망원경 관측은 UNCOVER (재이온화 이전 시대를 탐사하는 울트라딥 적외선 분광기 및 카메라 관측, the Ultradeep Nirspec and nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization) 프로그램의 일환으로 진행되었다. 

 

출처 : NASA 제임스웹 우주망원경 공식 사이트 2023년 11월 6일 뉴스