연구에 따르면 초기 우주에는 우리가 생각했던 것보다 더 많은 블랙홀이 있었습니다.

초거대질량 블랙홀은 질량이 태양의 10억 배에 달하는 우주에서 가장 인상적이고 무서운 물체 중 하나입니다. 그리고 우리는 그들이 오랫동안 존재해 왔다는 것을 알고 있습니다.

실제로 천문학자들은 우주의 나이가 10억 년이 채 안 됐을 때 은하 중심에서 발견된 퀘이사(빠르게 성장하는 초대질량 블랙홀)라는 극도로 밝은 콤팩트 광원을 발견했습니다.

이제 Asphysical Journal Letters에 발표된 우리의 새로운 연구는 허블 우주 망원경의 관측을 사용하여 이전 추정치보다 초기 우주에 훨씬 더 많은(훨씬 덜 빛나는) 블랙홀이 있음을 보여주었습니다. 흥미롭게도 이것은 그들이 어떻게 형성되었는지, 그리고 왜 많은 것들이 예상보다 더 많은 질량을 가지고 있는 것처럼 보이는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

블랙홀은 강착이라는 과정을 통해 주변의 물질을 삼키면서 성장합니다. 이로 인해 엄청난 양의 방사선이 생성됩니다. 이 방사선의 압력은 블랙홀이 얼마나 빨리 성장할 수 있는지에 근본적인 제한을 둡니다.

따라서 과학자들은 이러한 초기 거대 퀘이사를 설명하는 데 어려움을 겪었습니다. 우주에 영양을 공급할 시간이 많지 않았기 때문에 물리적으로 가능한 것보다 더 빠르게 성장했거나 놀라울 정도로 거대하게 태어났음에 틀림없습니다.

가벼운 씨앗과 무거운 씨앗

그런데 블랙홀은 어떻게 형성되나요? 여러 가지 가능성이 있습니다. 첫 번째는 소위 원시 블랙홀입니다. 그들은 빅뱅 직후부터 존재했습니다. 이들은 저질량 블랙홀일 수 있지만 우주론의 표준 모델에 따르면 거대한 블랙홀이 상당수 형성될 수는 없습니다.

블랙홀은 일부 일반적인 거대 별의 짧은 수명의 마지막 단계에서 확실히 형성될 수 있습니다(현재 중력파 천문학으로 확인됨). 원칙적으로 이러한 블랙홀은 별과 블랙홀이 합쳐질 수 있는 극도로 밀도가 높은 성단에서 형성된다면 빠르게 성장할 수 있습니다. 너무 빨리 자라야 하는 것은 블랙홀의 “별 덩어리 씨앗”입니다.

대안은 알려진 무거운 별보다 질량이 약 1,000배 더 큰 “무거운 씨앗”에서 형성될 수 있다는 것입니다. 이러한 메커니즘 중 하나는 암흑 물질로 알려진 알려지지 않은 보이지 않는 물질의 초기 구조가 가스 구름을 가두는 반면 배경 방사선으로 인해 별이 형성되지 않는 “직접 붕괴”입니다. 대신 그들은 블랙홀로 붕괴되었습니다.

문제는 소수의 암흑 물질 후광만이 그러한 씨앗을 형성할 만큼 크게 자란다는 것입니다. 따라서 이것은 첫 번째 블랙홀이 충분히 희귀한 경우에만 설명으로 작동합니다.

블랙홀이 너무 많아

수년 동안 우리는 우주 시간의 처음 10억년 동안 얼마나 많은 은하계가 존재했는지에 대해 좋은 아이디어를 가지고 있었습니다. 그러나 이러한 환경에서 블랙홀을 찾는 것은 큰 도전이었습니다(발광 퀘이사만 테스트할 수 있습니다).

블랙홀은 주변 물질을 삼키면서 성장하지만 이는 일정한 속도로 발생하지 않습니다. 블랙홀은 음식을 “밀가루”로 나누어 시간이 지남에 따라 밝기가 변합니다. 우리는 15년 동안 최초의 은하 중 일부의 밝기 변화를 모니터링했으며 이를 사용하여 블랙홀이 몇 개 있는지에 대한 새로운 인구 조사를 실시했습니다.

우리가 원래 생각했던 것보다 몇 배나 더 많은 블랙홀이 일반 원시 은하계에 존재하는 것으로 밝혀졌습니다.

최근 JSTW(James Webb Space Telescope)를 통해 유사한 결론에 도달한 또 다른 선구적인 작업이 시작되었습니다. 전체적으로 우리는 직접적인 붕괴에 의해 형성될 수 있는 것보다 더 많은 블랙홀을 가지고 있습니다.

거대하고 풍부한 씨앗을 생산할 수 있는 블랙홀을 형성하는 또 다른 좀 더 이국적인 방법이 있습니다. 별은 가스 구름의 중력 수축에 의해 형성됩니다. 수축 단계에서 상당한 양의 암흑 물질 입자를 포착할 수 있다면 내부 구조가 완전히 수정될 수 있으며 핵 점화가 방지됩니다.

따라서 성장은 일반 별의 일반적인 수명보다 몇 배 더 오랫동안 계속되어 훨씬 더 거대해질 수 있습니다. 그러나 일반 별이나 직접 붕괴하는 물체처럼 궁극적으로 압도적인 중력에 저항할 수 있는 것은 아무것도 없습니다. 이는 이 “검은 별들”도 결국 붕괴하여 거대한 블랙홀을 형성해야 함을 의미합니다.

이제 우리는 초기 우주에서 우리가 관찰한 수많은 블랙홀이 형성되기 위해 이와 유사한 과정이 발생했어야 한다고 믿습니다.

향후 계획

초기 블랙홀 형성에 관한 연구는 지난 2년 동안 변화를 겪었지만 어떤 면에서는 이 분야는 이제 막 시작에 불과합니다.

유클리드 미션이나 낸시 그레이스 로마 우주 망원경과 같은 새로운 우주 관측소는 초기에 더 희미한 퀘이사에 대한 조사를 완료할 것입니다. 새로운 아테네 임무와 호주와 남아프리카의 평방 킬로미터 배열은 초기에 블랙홀을 둘러싼 많은 과정에 대한 우리의 이해를 열어줄 것입니다.

그러나 실제로 우리가 가까운 미래에 모니터링해야 할 것은 JWST입니다. 이미징 및 모니터링을 위한 감도와 매우 약한 블랙홀 활동을 볼 수 있는 분광학 기능을 통해 우리는 향후 5년 안에 최초의 은하가 형성된 블랙홀의 수를 실제로 정확히 파악할 수 있기를 바랍니다.

우리는 최초의 원시 별의 붕괴와 관련된 폭발을 목격함으로써 블랙홀이 형성되는 과정을 포착할 수도 있습니다. 모델들은 이것이 가능하다고 말하지만, 이를 위해서는 천문학자들의 협력적이고 헌신적인 노력이 필요할 것입니다.

이 기사는 원래 다음에서 출판되었습니다. 대화 ~에 의해 마테오 J. 헤이즈 ~에 스톡홀름 대학교. 여기에서 원본 기사를 읽어보세요.