빅뱅이 발생한 지 4억 년밖에 지나지 않은 약 130억 년 전 초기 우주에서 자기가 속한 숙주 은하를 먹어 치우고 있는 태양 질량 수백만 배의 거대한 블랙홀이 제임스 웹 우주망원경(JWST)에 포착됐다.

18일 영국 케임브리지대 캐번디시연구소·카블리 우주론연구소 로베르토 마이올리노 교수가 이끄는 국제연구팀은 과학 저널 네이처(Nature)에서 미항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)의 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 이용해 130억 년 전 블랙홀을 발견했다고 밝혔다.

마이올리노 교수는 이 블랙홀은 관측 사상 가장 오래된 것일 뿐 아니라 질량이 태양의 수백만 배에 달해 블랙홀 형성과 성장에 관한 기존 이론에 맞지 않는다며 이런 블랙홀의 형성을 설명할 수 있는 다른 이론 체계를 고려해야 한다고 말했다.

▲ 제임스 웹 우주 망원경 궤도 배치 상상도.

물질의 기본 구성 요소와 그 상호 작용을 지배하는 힘을 통해 물질과 우주를 설명하는 표준모델에 따르면 초대질량 블랙홀은 죽은 별의 잔해에서 형성되며, 잔해가 붕괴하면서 태양 질량의 약 100배 크기의 블랙홀이 만들어질 수 있다.

이 블랙홀은 주변 물질을 빨아들이면 성장하는데 이번에 발견된 블랙홀은 기존 이론으로는 현재 크기로 성장하는 데 10억 년이 걸렸을 것으로 추정된다. 문제는 블랙홀이 발견된 시점이 빅뱅 후 4억년밖에 안 된 때라는 점이다.

우리은하 중심부에 잇는 초대질량 블랙홀의 경우 수십억년에 걸쳐 현재 크기로 성장한 것으로 천문학자들은 추정하고 있다.

새로운 블랙홀이 발견된 은하는 'GN-z11'으로 크기가 우리은하의 100분의 1 정도인 소형 은하로, 블랙홀이 은하의 발달을 방해하고 있는 것으로 추정된다.

연구팀은 발견된 블랙홀의 거대한 크기는 블랙홀이 기존 이론과는 다른 방식으로 형성될 수 있음을 시사한다며 블랙홀이 애초에 '크게 태어났거나' 주변 물질을 빨아들이는 속도가 생각했던 것보다 5배 이상 빠를 가능성이 있다고 밝혔다.

마이올리노 교수는 이 블랙홀도 다른 블랙홀들과 마찬가지로 자기가 속한 숙주 은하의 물질을 격렬하게 빨아들이며 성장하고 있다며 "아주 초기 은하는 가스가 매우 풍부했기 때문에 블랙홀이 먹을 게 많은 뷔페 같았을 것"이라고 말했다.

연구팀은 이런 우주 초기 블랙홀을 발견할 수 있었던 것은 JWST의 우수한 관측 능력 덕분이라며 앞으로 JWST 관측을 통해 더 작은 블랙홀의 '씨앗'을 찾아내 블랙홀이 형성되는 다양한 방식의 비밀을 풀 수 있을 것으로 기대한다.

마이올리노 교수는 "JWST 적외선 감도의 비약적 발전은 갈릴레오 망원경에서 하룻밤 새 현대식 망원경으로 발전한 것과 같다"며 "JWST의 뛰어난 민감도로 볼 때 앞으로 몇 달, 몇 년 안에 더 오래된 블랙홀도 발견할 수 있을 것"이라고 말했다.

◆ 출처 : Nature, Roberto Maiolino et al., 'A small and vigorous black hole in the early Universe', https://www.nature.com/articles/s41586-024-07052-5

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