빅뱅 이후 6억 6천만 년이 채 지나지 않아 관측된 지금까지 확인된 가장 먼 블랙홀 별은 제임스 웹 우주 망원경이 포착한 초기 우주 이미지에 존재하는 흥미로운 “빨간 점”의 기원에 대한 중요한 단서를 제공합니다.
2022년에 처음 발견된 이 특이한 물체는 적색 거성과 같은 차갑고 불그스름한 별과 유사한 스펙트럼을 나타내는 거대한 가스 구름으로 둘러싸인 초대질량 블랙홀의 형성에 해당한다는 합의가 점점 커지고 있습니다. 최근 관측에 따르면 이러한 물체 중 일부는 빛이 우리에게 도달하기까지 약 120억 년을 여행한 젊은 은하의 중심에서 발견되는 것으로 나타났습니다. 거리가 멀고 광도가 낮기 때문에 이 블랙홀 별에서 나오는 빛은 모은하의 빛과 분리하기가 어렵습니다. 특히 제임스 웹이 감지하기에는 너무 희미한 은하가 있는 경우에는 더욱 그렇습니다.
그러나 신기루 또는 기적(MoM) 조사로 알려진 제임스 웹(James Webb) 프로그램을 통해 밝혀진 새로 식별된 블랙홀 별이 핵심 누락 고리 역할을 하고 있습니다.
“미라지 또는 미라클 탐색은 ‘위험’하다고 간주되는 광원에 초점을 맞추도록 설계되었습니다. 이는 특별한 발견일 수도 있고 먼 은하와 유사한 근처의 차가운 별과 같이 단지 방해가 되는 물체일 수도 있습니다.”라고 오스트리아 과학기술연구소(Austrian Institute of Science and Technology)이자 MoM 연구원 중 한 명인 Jorryt Matthee가 말했습니다. 특히 이번 연구는 적색편이가 높은 은하(10개 이상에 가까우며 최소 131억년의 존재를 나타냄)로 보이는 표적에 초점을 맞췄다.
이번 조사에서 발견된 블랙홀 별은 MoM-BH*-1로 명명되었으며 현재까지 “벌거벗은 블랙홀 별”의 가장 좋은 예를 나타냅니다. 이는 천문학자들이 그것이 발전 중인 은하계에 묻혀 있는 것이 아니라 우주에 고립되어 존재한다는 강한 확신을 갖고 있음을 의미합니다. 모든 빛은 구름의 중앙 블랙홀에 물질이 부착되어 생성됩니다. 이 강착은 가스 구름으로 인해 보이지 않지만 생성된 빛은 내부에서 주변 구름에 에너지를 공급하여 외부 층을 방사하는 태양 에너지와 유사한 방식으로 빛나게 만듭니다.
MoM-BH*-1을 식별한 팀의 리더이자 MoM 연구의 공동 리더인 하와이 대학교의 Rohan Naidu는 “우리가 발견한 스펙트럼은 초기 형성 블랙홀에 연료를 공급하는 가스 껍질에 대한 최고의 증거입니다.”라고 말했습니다.
흥미롭게도 MoM-BH*-1은 동일한 적색편이를 보이는 젊은 은하 근처에 위치하고 있으며 예측에 따르면 블랙홀 별이 이 은하와 충돌하여 합쳐지는 데는 1억년이 더 걸릴 것으로 나타났습니다. Naidu와 Matthee의 팀은 MoM-BH*-1과의 합병 이후 은하의 스펙트럼이 어떤 모습일지 시뮬레이션했으며, 그것이 이미 은하 내에서 알려진 붉은 점과 매우 유사하다는 것을 발견했습니다.
MoM-BH*-1의 발견이 원시 퀘이사를 이해하는 데 어떻게 도움이 됩니까?
Matthee는 “블랙홀 별을 붉은 점의 블랙홀 구성 요소에 대한 모델로 고려하면 이에 대한 많은 불확실성을 명확히 하는 데 도움이 됩니다.”라고 말했습니다. “유사한 호스트 은하에 묻혀 있으면 MoM-BH*-1과 같은 블랙홀 별이 실제로 배아 퀘이사의 중심 엔진 역할을 할 수 있습니다.”
따라서 MoM-BH*-1은 붉은 점을 포함하는 희미한 은하의 중심 물체가 블랙홀 별이라는 강력한 증거를 제공합니다. 적색편이가 낮은 일부 붉은 점에 대한 최근 관찰에 따르면 블랙홀 주변의 가스 구름이 소멸되기 시작하여 블랙홀과 가스 강착으로 생성된 X선이 노출되는 것으로 나타났습니다. 이러한 블랙홀은 가속 성장을 나타내며, 이러한 활성 블랙홀 주변 환경은 매우 밝아져 퀘이사가 형성됩니다.
Naidu는 “천문학자들은 상상력이 부족한 적이 없었습니다. 퀘이사 발견 이후 이러한 블랙홀이 어떻게 그렇게 거대하고 빠르게 성장했는지 설명하는 이론이 부족하지 않았습니다.”라고 말했습니다. “초기 우주에서 놀라운 일이 일어났음에 틀림없습니다. 이제 제임스 웹과 함께 우리는 이 시대를 직접 관찰하고 어떤 시나리오가 실제로 일어났는지 확인할 수 있습니다.”
초대질량 블랙홀의 형성과 그것이 블랙홀을 둘러싸고 있는 은하보다 앞선 것인지 여부를 이해하는 것은 블랙홀 발사 전 제임스 웹의 주요 과학적 목표 중 하나였습니다. 이런 점에서 망원경은 매우 성공적이었습니다. 붉은 점은 불과 4년 전에 발견되었지만 붉은 점과 블랙홀 별에 대한 연구는 가속화되고 있으며 거의 매주 새로운 발견이 나타나고 있습니다.
Matthee는 “지난 2~3년 동안 빨간색 점에 대한 거의 1000개의 기사와 사전 인쇄가 이루어졌기 때문에 지금은 믿을 수 없을 정도로 흥미로운 시기입니다.”라고 말했습니다. “이것은 신기루가 아니라 우주의 기적일 수도 있습니다.”
