막심해(莫心海)
【정견망】
미국 항공우주국(NASA)의 나사스페이스플라이트닷컴(NASAspaceflight.com) 7월 8일 보도에 따르면 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 활동성 초대질량 블랙홀을 포착했다. 이 초대질량 블랙홀은 CEERS 1019 은하에 위치한다.
천문학자들에 따르면 이 은하는 빅뱅 후 5억 7천만년 후 생겨난 것으로 추정한다. 이 블랙홀의 질량은 초기 우주에서 지금까지 발견된 그 어떤 블랙홀보다도 작다. 또한 유사한 또 다른 2개의 블랙홀도 발견했는데 각각 빅뱅 후 10억 년과 11억 년 지난 시점에 존재한 것으로 추정된다. 이외에도 빅뱅 후 4억7천만~6억7천500만년 사이에 존재한 은하 11개도 발견했다.
이 발견은 미국 텍사스대 스티븐 핀켈스타인 교수팀의 지도하에 제임스 웹 우주망원경을 이용한 ‘우주 진화 초기 방출 과학(CEERS)’ 데이터를 분석해 나온 결과다.
CEERS 조사란 JWST에 탑재된 근적외선 카메라(NIRCam)와 중적외선 장비(MIRI)로 초기 우주를 관측, 영상과 스펙트럼 데이터를 수집하는 프로그램이다.
이번 연구가 주목을 끄는 이유는 블랙홀의 나이가 아주 많다는 것 외에도 블랙홀의 질량이 상대적으로 작기 때문이다. 이 블랙홀의 질량은 태양의 약 900만 배로 다른 망원경들에 포착된 초기 우주 초대질량 블랙홀이 보통 태양의 10억 배 이상인 것에 비하면 훨씬 작다. 이 블랙홀은 크기가 태양의 460만 배인 우리은하 중심 블랙홀에 오히려 가까운 셈이다. 이 블랙홀은 질량은 작아도 나이가 아주 많아서 현재 천문학 이론으로는 왜 이렇게 일찍 형성되었는지 설명하지 못한다.
JWST 데이터에는 정확한 정보들로 가득 차 있어서 데이터를 이용해 이런 정보들을 비교적 쉽게 추출할 수 있다. “이 망원경을 사용해 먼 물체를 관찰하는 것은 우리 근처의 은하에서 블랙홀 데이터를 관찰하는 것과 비슷합니다.” 텍사스대 레베카 라손의 말이다. “분석해야 할 스펙트럼이 이렇게 많아요!”
연구팀은 CEERS가 수집한 스펙트럼에서 어떤 것이 각각 블랙홀과 은하에서 방출되는 것인지 구분할 수 있었을 뿐 아니라 블랙홀이 흡수하는 가스의 양과 은하에서 별이 형성되는 속도도 확인할 수 있었다고 밝혔다.
연구팀은 이 은하가 가급적 많은 가스를 흡수하는 동시에 새로운 별을 생성한다는 사실을 발견했다. 그들은 이미지를 이용해 원인을 연구한다. CEERS 1019는 한 개의 원반이 아니라 3개의 밝은 덩어리로 표시된다. CERS 연구팀의 제이한 카르탈테페(Jeyhan Kartaltepe)는 “우리는 이렇게 먼 거리에서 이렇게 많은 이미지 구조를 보는 데 익숙하지 않습니다.” “은하의 병합은 은하 블랙홀의 활동을 어느 정도 강화할 수 있고 이는 항성 형성을 증가시킬 수 있습니다.”라고 했다.
CEERS는 조사 범위가 대단히 넓고 또 연구 가치가 있는 내용들이 꽤 많다. 메인 주 콜비 칼리지의 델 코체프스키와 연구팀은 자료에서 다른 작은 블랙홀 한 쌍을 발견했다. 첫 번째는 은하 CEERS 2782 내에 있어서 아주 쉽게 식별할 수 있다. 웹 망원경의 시야를 가리는 먼지가 없는데 빅뱅 후 11억 년 후에 생겨난 것으로 추정된다. 두 번째 블랙홀은 은하 CEERS 746에 위치하며 빅뱅 후 10억 년 후 생겨났다. 밝은 증착 디스크는 초대질량 블랙홀을 둘러싸고 있는 가스와 먼지로 구성된 고리이지만 일부는 먼지로 덮여 있다.
코체프스키는 “중심 블랙홀은 볼 수 있지만 먼지의 존재는 이것이 별이 맹렬하게 생성되고 있는 은하 내부에 있음을 시사한다”고 설명했다.
CEERS 1019 블랙홀과 마찬가지로 이 두 블랙홀도 ‘경량급’인데, 적어도 이러한 거리에 있는 이전에 알려진 초대질량 블랙홀과 비교했을 때 그렇다. 이들의 질량은 태양 질량의 1000만 배 정도에 불과하다.
핀켈스타인 교수는 “JWST 없었을 때는 세 블랙홀 모두 너무 약해서 탐지할 수 없었고 다른 망원경을 사용하면 이것들은 활동적인 초대질량 블랙홀이 아니라 일반적인 항성 형성 은하처럼 보입니다.”라고 덧붙였다.
웹 망원경의 민감한 스펙트럼 자료들은 이들 연구자들이 초기 우주에서 은하의 정확한 거리와 나이를 측정할 수 있도록 해주었다. 연구원들은 이외에도 빅뱅 후 4억7천만~6억7천500만년 사이에 존재했던 은하 11개도 발견했다. 그들은 아주 멀리 떨어져 있을 뿐만 아니라 너무 많은 밝은 은하가 감지되었다는 사실도 주목할 가치가 있다. 연구원들은 웹이 탐지한 은하는 이 거리에서 발견된 은하보다 적을 거라고 추측했다.
연구팀의 일원인 후지모토는 “이 은하들은 빠르게 별을 형성하고 있지만 화학 성분은 아직 우리와 가까운 은하만큼 풍부하지 않으며” “이 은하군, 그리고 우리가 미래에 발견할 수 있는 다른 먼 은하들은 전체 우주 역사에서 항성의 형성과 은하 진화에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있을 것”이라고 했다.
이것은 CEERS 조사에서 최초의 획기적인 발견에 불과하다.
핀켈스타인은 “지금까지 초기 우주 천체 연구는 대부분 이론적이었는데 JWST를 통해 아주 먼 거리의 블랙홀과 은하를 관측하고 정확히 측정하는 게 가능해졌다”고 했다.
“JWST를 통해 우리는 매우 먼 거리에 있는 블랙홀과 은하를 볼 수 있을 뿐만 아니라 이제 그것들을 정확하게 측정할 수 있게 되었으며 이것이 바로 이 망원경의 엄청난 위력입니다.”
그는 “이 망원경을 통해 초기 우주에서 블랙홀이 어떻게 성장하고 진화하는가에 대한 이론을 수정해나갈 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
참고자료: https://www.nasaspaceflight.com/2023/07/webb-ceers1019/
원문위치: https://www.zhengjian.org/node/284293