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[아하! 우주] 우주의 새벽에 ‘아침식사’ 하는 거대 블랙홀 포착

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▲ 초거대 망원경인 VLT로 포착한 초기 은하 중심부에서 퀘이사를 둘러싼 블랙홀. 출처=ESO/Farina et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Decarli et al.

천문학자들이 우주의 이른 새벽에 식사하는 거대 질량 블랙홀의 모습을 포착했다. 은하 중심에는 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 거대 질량 블랙홀이 존재한다. 이 블랙홀들은 오랜 세월 은하 중심에서 막대한 질량을 흡수하면서 이렇게 커졌다. 그런데 천문학자들은 우주 초기에 이미 거대 질량 블랙홀이 존재한다는 사실을 발견하고 깜짝 놀랐다. 빅뱅 직후 얼마 지나지 않은 시점에 이미 엄청난 물질을 흡수해서 몸집을 키운 블랙홀이 있다는 이야기다. 그러나 이 블랙홀들의 성장에 필요한 물질이 어떻게 공급되었는지는 잘 몰랐다.

독일 막스 플랑크 천문학 연구소의 에마누엘 파올로 파리나가 이끄는 연구팀은 유럽 남방 천문대(ESO)의 거대 망원경인 VLT에 설치된 MUSE 장치를 이용해서 그 원인을 조사했다. 이들은 아주 멀리 떨어진 퀘이사 31개를 관측했다. 퀘이사는 많은 물질을 흡수하면서 막대한 에너지를 내놓는 블랙홀로 우주 초기에 흔했다. 이번 연구에서 관측된 퀘이사 가운데 가장 먼 것은 125억 광년 떨어진 것이었다. 이 퀘이사를 관측한 것은 빅뱅 직후 8억 7000만 년 전의 블랙홀을 관측한 것과 같은 수준이다.

▲ 초기 우주에서 퀘이사를 둘러싼 가스 헤일로를 묘사한 그래픽. 출처=ESO/M. Kornmesser

연구팀은 이 오래된 31개의 퀘이사 가운데 12개에서 거대한 가스 헤일로(halo)의 존재를 확인했다.(사진) 퀘이사 주변의 가스 헤일로는 크기가 10만 광년에 달했으며 태양 질량의 수십억 배에 달하는 큰 질량을 지니고 있었다. 이런 거대 가스 구름이 우주 초기 거대 질량 블랙홀에 물질을 공급해 오늘날 우주에서 보는 거대 질량 블랙홀을 만들었다.



빅뱅 이후 얼마 지나지 않은 시점의 초기 우주에는 별과 은하는 적었고 별의 재료가 될 수 있는 가스는 많았다. 하지만 이 가스를 직접 관측하기는 어려웠는데, VLT 및 ALMA 같은 거대 관측 장비의 도움으로 관측에 성공한 것이다. 연구팀은 이번에 관측한 가스 헤일로를 '우주의 새벽에 먹는 블랙홀의 아침 식사'(black holes‘ breakfast at the cosmic dawn)라고 표현했다. 이때 많이 먹은 덕분에 거대 질량 블랙홀이 우주 초기부터 나타날 수 있었다. 아침을 든든히 먹어야 하루 종일 힘을 내는 인간처럼 블랙홀 역시 아침을 많이 먹어야 거대 질량 블랙홀로 진화할 수 있다는 점이 흥미롭다.

과학자들은 더 강력한 망원경을 통해 더 먼 우주를 상세히 관측해서 우주 초기에 있었던 일을 밝혀내고 있다. 앞으로 제임스 웹 우주 망원경과 지상의 차세대 망원경이 완성되면 더 많은 사실이 밝혀질 것이다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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