초대질량 블랙홀의 경이로운 성장: NASA의 찬드라 망원경이 밝혀낸 놀라운 발견

우주의 신비를 탐구하는 여정에서 가장 매혹적인 존재 중 하나는 바로 블랙홀입니다. 최근 NASA의 찬드라 X선 관측소(Chandra X-ray Observatory)의 놀라운 발견이 블랙홀 연구에 새로운 지평을 열었습니다. 이번 발견은 우주 초기, 빅뱅 직후 형성된 초대질량 블랙홀의 성장 속도에 대한 기존 이론을 뒤흔들 만큼 충격적입니다.

상상을 초월하는 성장 속도: 에딩턴 한계를 뛰어넘는 블랙홀

찬드라 망원경이 포착한 이 블랙홀은 태양 질량의 약 10억 배에 달하는 초대질량 블랙홀로, 지구로부터 무려 128억 광년 떨어진 곳에 위치해 있습니다. 이는 우주 탄생 후 불과 9억 2천만 년 후의 모습을 관측한 것으로, 초기 우주에서 발견된 블랙홀 중 가장 강력한 X선을 방출하고 있습니다. 이 블랙홀은 퀘이사(quasar)라는 매우 밝은 천체의 에너지원으로, 엄청난 양의 물질이 블랙홀로 빨려 들어가며 엄청난 에너지를 방출하는 모습을 보여줍니다.

이 블랙홀은 2년 전 동일한 연구팀에 의해 처음 발견되었지만, 2023년 찬드라 망원경의 관측을 통해 그 특별함이 드러났습니다. X선 데이터 분석 결과, 이 블랙홀은 에딩턴 한계(Eddington Limit)를 훨씬 넘어서는 속도로 성장하고 있음이 밝혀졌습니다. 에딩턴 한계란 블랙홀이 물질을 흡수하는 속도에 대한 이론적 상한선으로, 블랙홀의 중력과 복사압이 균형을 이루는 지점을 의미합니다. 이 한계를 넘어서는 성장은 이전까지는 거의 관측된 적이 없던 현상입니다.

연구를 이끈 하버드-스미소니언 천체물리학센터의 루카 이히나(Luca Ighina) 박사는 이 블랙홀의 엄청난 성장 속도에 대해 "경악스러웠다"고 말했습니다. 이는 블랙홀 성장에 대한 기존 이론에 큰 의문을 제기하는 발견입니다. 일반적으로 에딩턴 한계보다 느리게 성장하는 블랙홀은 태양 질량의 1만 배 이상의 질량으로 탄생해야 빅뱅 후 10억 년 안에 10억 배의 질량에 도달할 수 있습니다. 하지만 이 블랙홀은 이러한 기존 이론을 뒤엎고 있습니다.

블랙홀 탄생의 비밀: 급속 성장의 원인은 무엇일까?

이 블랙홀이 에딩턴 한계의 2.4배에 달하는 속도로 지속적으로 성장했다면, 그 탄생 과정은 기존의 이론과는 다를 수 있습니다. 이전 이론에 따르면, 초대질량 블랙홀은 헬륨보다 무거운 원소의 함량이 매우 낮은 거대한 가스 구름의 붕괴로 형성될 수 있습니다. 하지만 이러한 조건은 매우 드물기 때문에, 이 블랙홀의 급속한 성장은 다른 메커니즘을 통해 설명되어야 합니다.

또 다른 가능성은 이 블랙홀이 태양 질량의 100배 미만의 질량을 가진 별의 붕괴로 탄생하여, 이후 에딩턴 한계를 뛰어넘는 속도로 성장했을 수 있다는 것입니다. 연구팀은 블랙홀의 질량과 성장 속도를 분석하여 탄생 당시의 질량을 추정하고, 블랙홀 탄생 과정에 대한 다양한 이론을 검증할 수 있었습니다. 이 연구는 블랙홀 탄생의 비밀을 밝히는 데 중요한 단서를 제공합니다.

블랙홀의 성장 속도 측정: 찬드라 망원경의 역할

연구팀은 이 블랙홀의 성장 속도를 측정하기 위해 찬드라 망원경의 X선 데이터를 이론 모델과 비교했습니다. 찬드라 망원경은 다양한 에너지의 X선을 감지하여 블랙홀의 성장 속도에 대한 정보를 제공합니다. 분석 결과, 찬드라 망원경의 X선 스펙트럼은 에딩턴 한계를 넘어서는 속도로 성장하는 블랙홀의 이론적 모델과 일치하는 것으로 나타났습니다. 또한, 광학 및 적외선 데이터 역시 이 블랙홀이 에딩턴 한계를 초과하여 성장하고 있음을 뒷받침합니다. 이 블랙홀은 매년 태양 질량의 300배에서 3,000배에 이르는 속도로 성장하는 것으로 추정됩니다.

우주 초기 블랙홀 형성의 새로운 패러다임

이번 연구는 우주 초기 블랙홀 형성에 대한 기존 이론에 새로운 패러다임을 제시합니다. 하버드-스미소니언 천체물리학센터의 토마스 코너(Thomas Connor) 박사는 "우주가 최초의 블랙홀을 어떻게 만들었는가?"라는 질문에 대해 이 블랙홀이 중요한 단서를 제공한다고 말했습니다. 이 연구는 우주 초기 블랙홀의 형성과 진화에 대한 이해를 심화시키는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

제트 현상과의 연관성: 풀리지 않는 수수께끼

이번 발견은 또 다른 과학적 수수께끼인 블랙홀 제트 현상과의 연관성을 시사합니다. 일부 블랙홀은 광속에 가까운 속도로 입자 제트를 방출하는데, 이는 퀘이사에서는 드문 현상입니다. 이 블랙홀의 급속한 성장이 제트 생성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요합니다.

연구 방법과 데이터 출처

RACS J0320-35로 명명된 이 퀘이사는 호주 스퀘어 킬로미터 어레이 경로탐색기(Australian Square Kilometer Array Pathfinder)를 이용한 전파 망원경 조사와 칠레 세로 토롤로 인터아메리칸 천문대의 빅터 M. 블랑코 4미터 망원경에 장착된 암흑에너지 카메라(Dark Energy Camera)의 광학 데이터를 통해 발견되었습니다. 또한 칠레 세로 파촌에 위치한 미국 국립과학재단 국립 광학-적외선 천문학 연구소의 제미니-사우스 망원경(Gemini-South Telescope)을 이용하여 RACS J0320-35의 정확한 거리를 측정했습니다. 이 연구 결과는 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 게재될 예정입니다.

NASA의 마셜 우주비행센터(Marshall Space Flight Center)는 찬드라 프로그램을 관리하며, 스미소니언 천체물리학 관측소의 찬드라 X선 센터(Chandra X-ray Center)는 케임브리지에서 과학 운영을, 버링턴에서 비행 운영을 담당하고 있습니다.

출처: https://www.nasa.gov/missions/chandra/nasas-chandra-finds-black-hole-with-tremendous-growth/