우주 여명기, 합쳐지는 '퀘이사 쌍' 첫 발견

두 개의 퀘이사가 합쳐지는 과정을 묘사한 일러스트. INTERNATIONAL GEMINI OBSERVATORY/NOIRLAB/NSF/AURA/M. GARLICK 제공

은하 중심부에 위치한 초대질량 블랙홀(Supermassive blackhole)이 가스와 먼지를 흡수하며 밝은 빛을 내는 천체를 '퀘이사(Quasar)'라고 한다. 과학자들이 지금까지 발견된 가장 먼 곳에서 서로 합쳐지고 있는 퀘이사 쌍을 발견했다. 은하의 진화 과정과 우주의 역사를 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

천문학 연구 대학협회(AURA)는 국제공동연구팀이 제미니(Gemini) 천문대 망원경과 스바루(Subaru) 망원경을 활용해 빅뱅 이후 9억년 시점에서 병합하는 퀘이사 한 쌍을 발견했다고 17일(현지시간) 밝혔다. 일본 에히메대 우주 및 우주진화 연구센터 요시키 마츠오카 교수가 이끈 이번 연구결과는 지난 4월 '천체물리학 저널 레터스(Astrophysical Journal Letters)'에 공개됐다.

초기 우주인 '우주 여명기(Cosmic dawn)'은 빅뱅 이후 약 5000만년에서 10억년 사이를 말한다. 최초의 별과 은하 등이 나타나면서 어두운 우주를 빛으로 가득 채운 시기다. 빅뱅 이후 약 4억 년 뒤인 '재이온화 시대(Epoch of Reionization)'는 암흑시대가 끝나며 우주의 거대한 구조가 형성된 것으로 추정되는 중요한 기간이다. 재이온화 시대의 천체 관측은 우주 최초의 천체 형성에 대한 통찰을 제공할 수 있다.

현재까지 재이온화 시대에서 약 300개의 퀘이사가 발견됐지만 퀘이사가 합쳐지는 병합 퀘이사 쌍이 발견된 적은 한 번도 없었다. 천문학자들은 초기 우주의 크기가 작아서 은하끼리 합쳐질 가능성도 컸을 것으로 생각한다. 자연스럽게 은하 중심부의 퀘이사가 합쳐지는 경우도 많을 것으로 예측했지만 그동안 우주 여명기에서 두 퀘이사가 병합하는 사례를 찾지 못했던 것이다.

연구팀은 스바루 망원경으로 촬영한 이미지를 검토하다가 희미한 붉은색 점을 우연히 발견했다. 마츠오카 교수는 "나란히 있는 두 개의 비슷한 광원을 발견했다"며 "발견은 순전히 우연이었다"고 설명했다.

연구팀은 두 천체가 실제로 퀘이사 쌍인지 확인하기 위한 후속 연구를 수행했다. 이미지 배경의 별과 은하 등 다른 광원에 이미지가 영향을 받기 때문에 두 천체가 퀘이사인지 확신할 수 없기 때문이다.

연구팀은 미국 하와이에 있는 일본국립천문대 스바루 망원경의 '희미한 물체 카메라 및 분광기(FOCAS)'와 마찬가지로 하와이에 위치한 북부 제미니천문대 망원경의 '근적외선 분광기(GNIRS)'를 사용해 광원에서 방출된 빛을 분석하고 특성을 파악했다.

분석 결과 두 천체는 각각 태양 질량의 1억 배에 해당하는 초대형 블랙홀로 이뤄진 퀘이사로 밝혀졌다. 두 은하의 합병이 이뤄지면서 퀘이사 사이에 뻗은 '가스 다리'의 존재도 확인됐다. 마츠오카 교수는 "재이온화 시대의 우주에서 합병 퀘이사의 존재가 처음으로 확인된 것"이라고 설명했다.

연구팀은 "퀘이사 연구는 초대질량 블랙홀의 형성과 초기 성장, 은하의 진화, 재이온화 시대의 시공간적 진행을 이해하는 데 중요하다"고 설명했다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]