천문학자들은 초기 우주에서 무거운 블랙홀 “씨앗”의 첫 번째 증거를 감지했을 수 있습니다.
이 소위 씨앗은 태양 질량의 수백만 또는 심지어 수십억 배에 달하는 질량을 가진 일부 초대형 블랙홀이 어떻게 빅뱅 이후 10억 년 이내에 존재할 수 있을 만큼 빠르게 성장할 수 있는지 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
초대질량 블랙홀의 씨앗은 태양 질량의 4천만 배가 넘는 블랙홀일 가능성이 높습니다. 이들은 무거운 별이 수명을 다해 자체 중력으로 붕괴할 때 생성되는 일반적인 블랙홀과 달리 거대한 가스 구름의 직접적인 붕괴로 인해 형성되는 것으로 생각됩니다. 거대한 블랙홀의 씨앗이 있는 것으로 추정되는 은하를 초대질량 블랙홀 은하(OBG)라고 합니다.
이 은하는 우주가 138억년, 약 4억년이 되었을 때 우리 망원경으로 볼 수 있는 매우 멀리 떨어져 있을 가능성이 높습니다. 그리고 이제 과학자들은 마침내 이러한 OBG 중 하나를 식별했을 수 있습니다.
관련된: 중력파는 블랙홀이 충돌하기 전에 특정 질량을 선호한다는 것을 보여줍니다.
하버드대와 스미소니언 천체물리학센터 연구원 아코스 보그단이 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주망원경(JWST)과 NASA 찬드라 X선 천문대로 퀘이사를 조사하던 중 블랙홀 질량 특성을 가진 물체를 처음 발견했다. 초대질량 블랙홀에 의해 구동되는 퀘이사는 에너지가 넘치고 매우 밝은 은하의 핵입니다. 사실 그들은 너무 밝아서 그들이 모는 은하계의 모든 별의 빛을 합친 것보다 더 밝을 수 있습니다.
Bogdan과 그의 동료들은 UHZ1이라는 은하계에서 생명체를 연구했습니다.
결과적으로 UHZ1에 관한 JWST 및 Chandra의 데이터는 OBG에서 예상할 수 있는 것과 일치했습니다. 팀은 찬드라를 도청하여 X선 방출을 감지했으며 이러한 방출은 퀘이사와 관련된 블랙홀 또는 “부착”의 존재를 나타내며 특히 주변 은하를 OBG로 식별하는 데 설득력이 있었습니다.
연구원들은 또한 그들의 관측을 무거운 블랙홀의 씨앗의 급속한 성장 시뮬레이션과 비교했고 둘 사이에 좋은 일치가 있음을 발견했습니다. 이 비교 중에 그들이 발견한 최고는 수억 년 동안 자란 10,000 태양질량의 씨앗이었습니다.
“UHZ1의 관찰된 다파장 특성과 이론적 모델의 모델 예측 사이의 탁월한 일치를 기반으로, 우리는 UHZ1이 적색 편이 스펙트럼 확인에 따라 처음으로 발견된 OBG 후보임을 제안합니다.”라고 저자는 발견을 설명하는 논문에서 썼습니다. . “따라서 첫 번째 OBG 후보인 UHZ1은 초기 우주에서 직접 붕괴로 인해 무거운 원시 종자가 형성되었다는 설득력 있는 증거를 제공합니다.”
무거운 씨앗이 블랙홀의 성장을 촉진하는 방법
초대질량 블랙홀의 순전한 크기는 과학자들을 크게 괴롭히지 않습니다. 그것은 이 우주 거인들이 주변의 가스와 먼지를 먹고 다른 블랙홀과 합쳐지면서 수십억 년 동안 성장했기 때문입니다. 예를 들어 은하수의 중심에 있는 궁수자리 A*(Sgr A*)는 태양 질량의 약 450만 배까지 성장할 충분한 시간을 가졌습니다. M87이라는 은하의 중심에 있는 블랙홀은 우리 별의 약 50억 배의 질량을 가지고 있기 때문에 재생산에 성공했습니다.
그러나 이러한 성장 메커니즘은 수십억 년에 걸쳐 발생하는 것으로 추정되기 때문에 빅뱅 이후 5억년에서 불과 10억년 사이에 존재했던 유사한 초대질량 블랙홀을 탐지하는 것은 어려운 일입니다. 이러한 대량 수집 방법으로는 그러한 거대한 블랙홀을 생성할 시간이 없었습니다. 그러나 이것이 바로 JWST 및 기타 도구를 사용하여 초기 우주를 연구하는 천문학자들이 발견한 것입니다.
“그것은 길을 걸어가는 가족을 보는 것과 같으며 그들에게는 6피트 2인치의 10대 두 명이 있지만 키가 6피트인 아이도 있습니다. 그건 약간 문제입니다. 그 아이는 어떻게 그렇게 키가 커졌나요?” 이 연구에 참여하지 않은 Maynooth 대학의 연구원인 John Regan은 Space.com에 말합니다. “그리고 그것은 우주의 초대질량 블랙홀도 마찬가지입니다. 어떻게 그들은 그렇게 빨리 거대해졌습니까?”
글쎄요, 한 가지 이론은 이 블랙홀이 더 작은 블랙홀의 “씨앗”에서 자라면서 대량 강착 과정에서 유리한 출발을 했다는 것입니다.
이와 관련하여 두 가지 일반적인 생각이 있습니다. 한편으로 전문가들은 초대질량 블랙홀이 태양 질량의 10~100배에 해당하는 질량을 가진 가벼운 블랙홀의 씨앗에서 성장했을 수 있다고 제안합니다. 이 빛의 씨앗은 이론적으로 항성 질량 블랙홀을 만드는 표준 메커니즘, 즉 우주에서 1세대 별의 죽음과 붕괴를 통해 탄생할 것입니다.
반면에 초기 초대질량 블랙홀은 태양 질량의 약 100,000배에 달하는 거대한 질량을 가진 거대한 블랙홀에서 성장했을 수 있습니다. 이들은 거대한 물질 구름의 붕괴로부터 직접 형성되었을 수 있으므로 다른 블랙홀의 “별 단계”를 완전히 건너뜁니다. 천문학자들은 블랙홀을 직접 붕괴 블랙홀(DCBH)이라고 합니다.
그런 다음 DCBH는 초기 우주에서 흔히 볼 수 있었던 은하 합병과 함께 성장할 수 있으며 이러한 공극에 가스와 먼지를 공급할 수도 있습니다. 그런 다음 결국 다른 블랙홀이 충돌하여 병합될 수 있습니다.
Regan은 이것을 키가 3피트로 태어난 6피트 키의 아이에 비유합니다. 여전히 약간 혼란스럽긴 하지만(어쩌면 성가실 수도 있지만) 아기가 어떻게 그렇게 빨리 성인 크기에 도달했는지 더 잘 설명합니다. 적어도 아기가 평균 영아의 키에서 시작했을 때보다 더 쉽게 말이죠.
다른 더 작은 블랙홀 씨앗은 OBG를 생성할 것으로 예상되지 않으므로 UHZ1을 그러한 은하로 식별하는 것은 무거운 블랙홀 씨앗의 존재를 뒷받침하고 초대형 블랙홀의 초기 성장에서 그 역할에 대한 신뢰를 부여합니다.
그러나 저자 스스로 연구의 한계를 지적하고, UHZ1 내부 블랙홀의 성장이 초거대 상태에 이르렀다고 추정하며 주의를 당부한다. 그들은 또한 이 성장의 잠재력이 잠재적인 씨앗이 자라는 데 필요한 엄청난 양의 가스와 먼지가 있는 환경에 크게 좌우된다는 점에 공감합니다.
무거운 시드 블랙홀의 개체군이 확인되고 초기 우주의 초거대 블랙홀과 관련이 있음을 입증하기 전에 아직 수행해야 할 조사가 많이 있지만 이러한 발견은 적어도 올바른 방향으로 나아가는 단계를 나타냅니다.
JWST가 더 많은 것을 발견함에 따라 [distant and early] 다가오는 주기에 블랙홀을 축적함으로써 우리는 이러한 소스를 분석하고 Chandra와 가능한 X선 유사체를 조사하고 OBG와 무거운 씨 뿌리기의 물리학에 대한 더 깊은 이해를 개발할 계획입니다.”
“이 발견은 무거운 씨앗 시나리오에 대한 더 많은 증거를 제공합니다.”라고 Regan은 Space.com에 말했습니다. “관측된 JWST의 다른 블랙홀 질량을 고려할 때, 나는 이제 증거의 무게가 초대형 블랙홀 성장에 대한 무거운 종자 시나리오를 강력하게 가리키고 있다고 말하고 싶습니다.”
팀의 연구는 Astrophysical Journal Letters에 제출되었으며 현재 Papers 저장소에 게시되어 있습니다. arXiv.
