셰청(謝誠)
【정견망】
천문학자들이 X선 심우주 시야(X-ray Deep Field)를 통해 초기 우주에 거대 질량 블랙홀이 보편적으로 존재했다는 최초의 직접적인 증거를 발견했다. 미국항공우주국(NASA)의 찬드라 X선 우주망원경이 관측한 이 발견은 매우 젊은 블랙홀의 성장이 원래 생각했던 것보다 훨씬 더 신속하고 맹렬했으며, 그것이 속한 은하의 성장과 긴밀하게 발맞추어 진행되었음을 나타낸다.
천문학자들은 6주가 넘는 시간 동안 찬드라 X선 우주망원경으로 하늘의 한 영역을 관측하여, 이른바 ‘찬드라 남천(南天) 심우주 시야(Chandra Deep Field-South)’를 얻었다. 허블 우주망원경이 제공한 이미지와 찬드라 X선 우주망원경이 제공한 데이터를 결합함으로써, 천문학자들은 우주 나이 8억 년에서 9억 5,000만 년 사이의 시기에 위치한 200개의 먼 은하 내부에서 초기 블랙홀을 탐색할 수 있었다.
‘찬드라 남천 심우주 시야’의 합성 이미지 (사진 출처: NASA 등)
“이전에는 이 초기 은하들의 블랙홀에 어떤 일이 일어났는지, 혹은 그것들이 존재하기나 했는지 알지 못했습니다.” 올해 6월 16일 자 《네이처(Nature)》 잡지에 게재된 이번 연구의 제1저자이자 하와이 대학교 천문학자인 에세키엘 트레이스터(Ezequiel Treister)는 말했다. “이제 우리는 그것들이 존재하며, 또한 맹렬한 기세로 성장하고 있었다는 것을 알게 되었습니다.”
이러한 초거대 성장은 ‘찬드라 남천 심우주 시야’에서 포착된 블랙홀들이 비극단적인 형태의 퀘이사(Quasar)임을 의미한다. 퀘이사는 초대질량 블랙홀로 떨어지는 물질에 의해 에너지를 얻어 매우 밝게 빛나는 보기 드문 천체이다. 그러나 전형적인 퀘이사와 비교했을 때, ‘찬드라 남천 심우주 시야’ 속의 광원은 대략 100배 정도 약하고, 블랙홀의 질량은 대략 1,000배 정도 작다.
관측 결과에 따르면 먼 은하의 30%에서 100%에 이르는 은하들이 성장 중인 초대질량 블랙홀을 가지고 있는 것으로 나타났다. 관측된 좁은 영역을 전체 하늘로 확장하여 추정해 보면, 초기 우주에는 최소 3,000만 개의 초대질량 블랙홀이 존재한다. 이는 초기 우주에 존재하는 퀘이사 수량의 10,000배에 달하는 수치이다.
“이는 우리가 새로운 ‘아기’ 블랙홀 집단을 발견했음을 보여줍니다.” 공동 저자인 예일 대학교의 케빈 샤윈스키(Kevin Schawinski)는 말했다. “우리는 이 ‘아기’들이 대략 100배 또는 1,000배로 성장하여, 최종적으로 오늘날 우리가 보는 것과 같은 거대한 블랙홀이 될 것이라고 생각합니다.”
초기 우주의 젊은 블랙홀 집단은 일찍이 예측된 바 있었으나 관측되지는 못했다. 세밀한 계산에 따르면, 이번 천문학자 팀이 관측한 블랙홀의 수량은 이전에 추정했던 수량을 100배 이상 초과한다.
이 블랙홀들은 거의 전적으로 두터운 가스와 먼지 구름에 둘러싸여 있기 때문에, 광학 망원경으로는 볼 수 없다. 그러나 고에너지 X선은 이러한 장막을 투과할 수 있어 그 내부의 블랙홀을 연구하는 것을 가능하게 한다.
물리학자들이 블랙홀을 연구하는 목적은 최초의 블랙홀들이 어떻게 형성되고 성장했는지 알기 위해서이다. 비록 가까운 거리에서는 이미 블랙홀과 은하가 병행하여 성장한다는 증거가 발견되었지만, 이번 새로운 찬드라의 관측 결과는 이러한 병행 성장 관계가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 이른 시기, 어쩌면 그것들이 형성될 때부터 시작되었을 수 있음을 보여준다.
“대부분의 천문학자는 우리 현재의 우주에서 블랙홀과 은하가 성장하는 과정 중에 일종의 공생 관계를 맺고 있다고 생각합니다.” 예일 대학교의 공동 저자인 프리야 나타라잔(Priya Natarajan)은 말했다. “우리는 아주 초기 단계부터 이러한 의존 관계가 존재했음을 보여주었습니다.”
일각에서는 초기 블랙홀이 중성 혹은 전기를 띠지 않은 우주 ‘안개'(우주 대폭발 이후 온도가 내려가면서 초기 우주에 가득 찼던 수소)를 걷어내는 역할을 했을 것이라는 이론을 제기한 바 있다. 그러나 찬드라의 연구에 따르면, 먼지와 가스 장막이 블랙홀에서 발생하는 자외선 복사가 외부로 나가 ‘재이온화’ 작용을 행하는 것을 저지했다. 따라서 우주의 새벽이 오기 전에 우주 ‘안개’를 청소한 것은 성장하는 블랙홀이 아니라, 아마도 항성(별)들이었을 것이다.
찬드라 망원경은 매우 멀고 지극히 미약한 물체를 측정할 수 있지만, 이 블랙홀 근처에서는 아주 적은 양의 광자만이 탈출할 수 있기 때문에 그것들을 개별적으로 관측할 수는 없다. 이에 따라 연구팀은 찬드라의 정밀한 지향 능력을 활용한 기술을 사용하여, 먼 은하 근처의 X선 계수(count)를 누적함으로써 통계적으로 유의미한 신호를 얻어냈다.
얼마 전 초기 우주에서 발견된 거대한 아기 은하들에 대해 아직 이론적인 설명이 나오지 않은 상황에서, 이제 또다시 이론적 예측 수량을 훨씬 초과하는 초대질량 블랙홀이 출현한 것은, 우리가 우주에 대해 알고 있는 바가 얼마나 피상적인지를 설명해 준다.
참고자료: http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/H-11-183.html
원문위치: https://www.zhengjian.org/node/75559