태초에 태양 질량 수만 배가 넘는 초거대 질량 별이 있었다?

[서울신문 나우뉴스]

태양 질량의 5.5만 배에 달하는 초거대 질량 별이 초신성 폭발을 일으키는 과정을 시뮬레이션한 모습

은하 중심에는 거대 질량 블랙홀이 존재한다. 우리은하 중심에는 태양 질량의 400만 배에 달하는 거대한 블랙홀이 있으며 심지어 태양 질량의 수십억 배에 달하는 초거대 질량 블랙홀도 존재한다. 이런 거대 질량 블랙홀은 단순히 은하에서 가장 큰 블랙홀이 아니라 은하의 진화에 결정적인 영향을 미치는 중요한 존재다. 특히 과학자들에게는 은하는 물론 우주의 진화를 이해하는 데 매우 중요한 천체라고 할 수 있다.

그런데 거대 질량 블랙홀이 생성 과정은 여전히 베일에 가려 있다. 은하 중심이 은하에서 가장 물질 밀도가 높은 곳이기 때문에 여기에 있는 블랙홀은 쉽게 질량을 모아 금세 초거대 질량 블랙홀로 성장할 수 있을 것 같지만, 태양 질량의 수백 배에 달하는 별이 죽어서 남기는 항성 질량 블랙홀은 의외로 물질을 흡수할 수 있는 범위가 넓지 않다. 많아 봐야 태양 질량의 수십 배 수준인 항성 질량 블랙홀이 서서히 커져 지금 우리가 보는 거대 질량 블랙홀이 되려면 상당한 시간이 필요하다. 그러나 과학자들은 허블 우주망원경을 통해 우주 초기부터 엄청난 속도로 성장하는 거대 질량 블랙홀을 관측했다.

이 모순된 결과를 설명하기 위해 대만 중앙 연구원 산하의 천체 물리학 연구소인 ASIAA(Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics)와 일본 국립 천문대의 과학자들은 새로운 가설을 제시했다. 연구팀이 제시한 대안은 간단하다. 기존 이론으로는 설명할 수 없는 초거대 질량 별이 있었다고 가정하는 것이다.

현재 우주에서 가장 무거운 별이라도 태양 질량의 수백 배는 넘지 않는다. 별의 질량이 커질수록 별이 생성하는 에너지가 기하급수적으로 커지면서 주변으로 물질을 방출하기 때문이다. 그러나 연구팀은 우주 초기에 물질 밀도가 지금보다 훨씬 높았던 시기에 태양 질량의 1만~10만 배에 달하는 초거대 질량 별이 존재할 수 있다고 주장했다. 물론 이런 별은 순식간에 초신성 폭발과 함께 최후를 맞이하게 된다. 그리고 그 후에는 항성 질량 블랙홀보다 훨씬 무겁고 강한 중력을 지닌 블랙홀을 남긴다. 이 가설이 옳다면 우주 초기 은하 중심에 생각보다 더 크고 강력한 블랙홀이 존재하는 이유를 쉽게 설명할 수 있다.

연구팀의 가설이 옳다면 우주 극초반에 지금까지 관측하지 못했던 매우 강력한 초신성 폭발이 존재했을 것이다. 연구팀은 시뮬레이션을 통해 이런 초신성이 지니는 특징을 연구했다. 하지만 이론적으로 예측된 거대 초신성 폭발은 현재 존재하는 망원경으로는 관측할 수 없다. 우주의 먼 과거를 관측하기 위해서는 더 먼 거리를 볼 수 있는 강력한 망원경이 필요하다. 연구팀은 올해 발사 예정인 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 이 가설을 검증할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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