빅뱅 후 15억년이 지난 초기 우주에서 이론적 한계 속도보다 40배 이상 빠르게 주변의 물질을 빨아들이는 초대질량 블랙홀(SMBH)이 처음으로 발견했다.
미국 국립 광·적외선천문학연구소(NOIRLab) 서혜원 박사가 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 이용해 초기 우주에서 태양 질량 72만배가량의 초대질량 블랙홀(LID-568)을 발견했다. 해당 연구결과는 5일(현지시간) 과학 저널 네이처 천문학(Nature Astronomy)에 게재됐다.
연구팀에 따르면 LID-568은 초대질량 블랙홀 중에서는 크기가 작다. 하지만 물질을 빨아들이는 속도는 이론적 한계인 '에딩턴 한계(Eddington limit)'의 40배 이상인 것으로 추정된다. 에딩턴 한계는 블랙홀이 달성할 수 있는 최대 광도, 물질 흡수 속도 등을 설명하는 이론이다.
은하 중심부에 위치한 초대질량 블랙홀은 망원경 성능이 빠르게 발전하면서 초기 우주에서도 계속 관찰되고 있다. 하지만 블랙홀이 초기 우주에서 어떻게 거대하게 성장했는지는 명확히 밝혀지지 않고 있다.
연구팀은 제임스웹 우주 망원경(JWST)의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 이용해 관측 대상 은하와 그 주변을 파악하고, 그 과정에서 우연히 은하 중앙에 있는 블랙홀 LID-568 주변에서 강력한 가스 분출을 발견했다.
연구팀은 분출 가스의 속도와 크기를 통해 LID-568 블랙홀이 에딩턴 한계의 41배에 달하는 엄청난 속도로 주변 물질을 흡수한다는 사실을 확인했다.
이석영 교수는 “에딩턴 한계는 블랙홀이 주어진 시간 내에 흡수할 수 있는 물질량의 한계로, 일정 수준 이상 물질을 빨아들이면 발산하는 에너지가 너무 커져 역학적 평형이 깨지기 때문에 그런 블랙홀은 있을 수 없다고 규정한다”고 설명했다.
이어 “에딩턴 한계를 약간 넘는 블랙홀은 종종 관측되고 이는 관측 오차나 일시적 평형 붕괴 등으로 여겨졌다”며 “하지만 초기 우주에 에딩턴 한계를 40배 이상 넘는 초대질량 블랙홀이 존재하는 것은 기존 이론으로는 설명이 안 된다”고 말했다.
연구팀은 이번 발견이 초대질량 블랙홀이 우주 초기에 최초 별들의 죽음(가벼운 씨앗)이나 풍부한 가스 구름의 직접 붕괴(무거운 씨앗)로부터 형성될 수 있다는 이론을 뒷받침하는 것일 수 있다고 보고 있다.
해당 이론은 아직 관측으로는 확인되지 않았다.
한편, 연구팀은 블랙홀 LID-568의 작동 메커니즘을 자세히 파악하기 위해 JWST와 후속 관측을 계획하고 있다.
이원지 기자 news21g@etnews.com
