130억년 전 초기 우주서 태양질량 15억배 '괴물' 퀘이사 관측

초대형 블랙홀 형성하기엔 이른 시점..블랙홀 형성·성장 이론 '흔들'

퀘이사 포뉴아에나 상상도 [International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld 제공/ 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 빅뱅 뒤 얼마 지나지 않은 초기 우주에서 태양의 질량의 15억배에 달하는 '괴물' 블랙홀을 가진 퀘이사가 관측돼 학계에 보고됐다.

'J1007+2115'라는 공식 명칭이 부여된 이 퀘이사의 빛은 약 130억2천만년 전 것으로 퀘이사 중에서는 두 번째로 오래됐지만 블랙홀의 질량으로만 따지면 초기 우주에서 가장 큰 퀘이사로 기록됐다.

퀘이사는 태양 질량 수십만에서 수백억 배에 이르는 초대질량블랙홀이 주변을 도는 강착원반의 물질을 빨아들이는 활동은하핵(AGN)을 가진, 매우 멀리 있지만 별처럼 밝은 빛을 내는 은하를 지칭한다. 우주에서 가장 강력한 에너지를 가진 천체 중 하나로 138억년의 우주 역사에서 언제 처음 출현했는지가 관심의 대상이 돼왔다.

미국 애리조나대학과 미국 국립과학재단 국립광학·적외선천문학연구실(NOIRLab)에 따르면 이 대학 스튜워드천문대의 양진이 박사가 이끄는 연구팀은 빅뱅 뒤 약 7억년밖에 안 된 시점에서 시작된 퀘이사의 빛을 관측한 결과를 국제학술지 '천체물리학저널 회보'(The Astrophysical Journal Letters)에 발표한다.

마우나케아산 정상의 제미니천문대 [ International Gemini Observatory 제공/ 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 하와이 마우나케아산 정상에 있는 제미니 천문대와 W.M.켁 천문대 망원경을 통해 이 퀘이사의 존재를 확인했다. 하와이 주민들이 신성시하는 마우나케아산의 망원경으로 발견된 점을 기려 하와이어로 "빛으로 둘러싸여 회전하는 보이지 않는 창조의 원천"이라는 의미를 가진 '포뉴아에나'라는 이름이 붙여졌다.

양 박사는 "포뉴아에나는 태양 질량 10억배 이상 블랙홀을 가진 천체 중에서는 가장 멀리 있는 것"이라면서 "작은 블랙홀이 이처럼 큰 규모로 커지기에는 시간이 너무 짧다"고 했다.

연구팀은 포뉴아에나의 존재가 초기 우주에서 블랙홀의 형성과 성장에 관한 기존 이론에 가장 큰 도전을 제기하는 것이라고 했다.

단일 별이 붕괴해 만들어지는 작은 블랙홀이 빅뱅 뒤 7억년밖에 안 된 시점에 포뉴아에나와 같은 초대형 블랙홀로 성장하는 것은 현재 이론으로는 거의 불가능하다는 것이다.

빅뱅 1억년 이내에 블랙홀 씨앗으로 포뉴아에나가 형성되는 상상도 왼쪽은 빅뱅 1억년, 오른쪽은 7억년 뒤 태양 질량 15억배의 퀘이사로 형성된 것을 묘사했다. [International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld 제공/ 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 포뉴아에나와 같은 퀘이사가 존재하려면 빅뱅 뒤 1억년 이내에 태양의 1만배에 달하는 질량을 가진 블랙홀 "씨앗"(seed)으로 시작해야 한다고 제시했다.

그러나 현재 이론으로는 빅뱅 뒤 우주는 빛조차 없는 암흑기가 이어지다가 우리가 알고 있는 별과 은하가 만들어지기 시작한 것은 약 4억년쯤 뒤 수소의 이온화가 이뤄진 '재이온화기'(Epoch of Reionization)로 제시돼 있다.

이 재이온화기는 수억 년간 진행되는데, 포뉴아에나는 재이온화기가 한창 진행 중인 상황에서 포착된 천체여서 재이온화기 과정을 연구하는 데 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 지난 2018년에 관측된 퀘이사 'J1342+0928'이 포뉴아에나보다 약 200만년 더 앞선 것이기는 하나 우주 단위로는 큰 차이가 없는 것이라고 지적했다.

이 퀘이사의 질량은 포뉴아에나의 절반밖에 안 된다.

논문 공동저자로 두 퀘이사의 관측에 모두 참여한 UA 천문학과의 판샤오후이 교수는 "130억년 중에서 200만년의 차이는 거의 같은 것"이라고 했다.

eomns@yna.co.kr

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