132억년 전 탄생한 ‘최고령’ 블랙홀 찾았다

찬드라 우주망원경으로 X선 관측
은하 10~100% 수준의 초거대질량 블랙홀
2900만년 먼저 생긴 블랙홀 분석 결과도 곧 나와

미국 스미소니언 천체물리학 관측소를 중심으로 한 공동연구팀이 발견한 빅뱅 4억7000만년 후 형성된 블랙홀./NASA

천문학자들이 우주의 시작인 빅뱅 4억7000만년 후에 생긴 블랙홀을 발견했다. 이 블랙홀은 132억년 전 생긴 것으로, 현재까지 발견된 블랙홀 중 가장 오래됐다.

미국 스미소니언 천체물리학 관측소를 중심으로 한 공동연구팀은 전파망원경으로 관측한 블랙홀이 우주의 시작인 빅뱅 4억7000만년 이후 형성됐다는 내용의 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처 천문학(Nature Astronomy)에 6일(현지 시각) 발표했다.

연구팀은 이 블랙홀의 나이를 132억년으로 봤다. 우주가 시작된 빅뱅이 발생한 시기는 137억년 전이다. 블랙홀이 언제 형성됐는지 확인하는 방법은 질량을 측정하는 것이다. 블랙홀은 거대한 별이 수명을 다해 폭발한 뒤 만들어지는 천체로, 중력이 매우 강해 주변 물체를 끌어당긴다. 질량을 확인해 몸집을 얼마나 키웠는지 알아내는 게 곧 나이를 파악하는 것인 셈이다.

질량은 블랙홀에서 방출되는 X선의 밝기로 알 수 있다. 질량이 무거울수록 X선의 밝기가 강하게 관측된다. X선 관측 정보와 다른 관측 정보를 조합해 질량을 파악한다. 이번 관측에는 미 항공우주국(NASA)이 1999년 발사한 찬드라 우주망원경이 사용됐다.

관측된 블랙홀의 질량은 해당 은하계에 있는 별들의 총질량의 10~100%에 달할 것으로 추정된다. 우리 은하가 별들 질량의 0.1% 정도인 점을 고려하면 초거대질량 블랙홀이다. 연구팀은 블랙홀의 탄생 시작부터 애초에 컸을 것으로 봤다. X선의 밝기와 에너지를 측정했을 때 블랙홀의 초기 질량은 태양의 1억 배로 추정된다.

프리얌바다 나타라잔(Priyamvada Natarajan) 미국 예일대 천문물리학과 교수는 “이번 관측은 ‘특대형 블랙홀’의 첫 번째 발견이자 일부 블랙홀이 거대한 가스 구름에서 형성된다는 최고의 증거”라며 “처음으로 초거대 블랙홀이 뒤처지기 전에 은하계의 별만큼 무게가 나가는 짧은 단계를 보고 있다”고 말했다.

조만간 더 오래된 블랙홀이 발견될 가능성도 있다. 연구팀은 이번에 발견된 것보다 2900만년 더 오래된 것으로 보이는 블랙홀을 분석 중이다. 분석 중인 블랙홀은 적외선을 사용하는 제임스웹 우주망원경으로 관측됐다. 추후 X선 관측으로 정확한 분석이 진행될 예정이다.

참고자료

Nature Astronomy, DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02111-9

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