빅뱅 직후 초대질량 블랙홀은 어떻게 그렇게 빨리 커졌는가?

"길을 걷고 있는 가족을 보는 것과 같습니다. 6피트짜리 십대 자녀 두 명이 있지만 키가 6피트인 유아도 함께 있습니다."

이제 과학자들은 전부는 아니더라도 대부분의 은하 중심부에 초대질량 블랙홀이 숨어 있다는 사실을 이해하고 있습니다. 이 우주 타이탄은 태양 질량의 수백만, 심지어 수십억 배에 달하는 질량을 가지고 있지만, 지역 우주에서 그리고 우주 역사에서 더 최근에 나타나는 초대질량 블랙홀에서는 엄청난 크기가 문제가 되지 않습니다.

그러나 초대질량 블랙홀이 초기 우주에서 발견되면 문제가 되고, 이미 태양의 수십억 개에 해당하는 질량을 갖고 있습니다. 왜냐하면 초대질량 블랙홀이 빠르게 질량을 모아 거대한 크기로 성장할 수 있게 하는 어떤 메커니즘이 있어야 하기 때문입니다. 그러나 이 성장에 대한 기존의 모든 메커니즘은 이 과정이 빅뱅 직후에 존재하기에는 너무 느리게 진행된다는 것을 시사합니다.

"지난 20년 동안 천문학자들은 빅뱅 이후 10억 년이 채 안 된 거의 130억 년 전에 국부 우주와 같은 질량, 따라서 더 최근의 우주, 즉 수십억 개의 태양 질량을 가진 초대질량 블랙홀을 발견했습니다." Maynooth University의 Society University 연구원 John Reagan은 Space.com에 말했습니다.

Regan은 다소 혼란스러운 비유로 문제를 설명합니다. "길을 걷고 있는 가족을 보는 것과 같습니다. 6피트짜리 10대 자녀 두 명이 있는데 키가 6피트인 유아도 함께 있습니다. 그게 좀 문제인데, 그 아이가 어떻게 그렇게 키가 컸나요? 우주의 초대질량 블랙홀도 마찬가지다. 어떻게 그렇게 빨리 거대해졌을까?"

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이 문제는 올해 JWST(James Webb Space Telescope)가 가장 멀리 떨어져 있고 최초의 초대질량 블랙홀을 발견하면서 더욱 복잡해졌습니다. 은하 CEERS 1019의 중심에 위치한 이 블랙홀은 질량이 태양의 900만 배에 달해 초대질량 블랙홀에 비해 상대적으로 작습니다.

그러나 이 크기에서도 빅뱅 이후 불과 5억 7천만년 만에 존재한다는 사실은 블랙홀 성장 이론에 도전하고 있습니다. 그리고 이 900만 태양 질량의 블랙홀은 혼자가 아니었습니다. 이 초거대 블랙홀을 밝혀낸 동일한 관측 캠페인인 CEERS(Cosmic Evolution Early Release Science) 조사에서는 빅뱅 이후 10억 년과 11억 년 후에 존재했던 두 개의 다른 초거대 블랙홀도 발견했습니다.

캐나다 웨스턴 온타리오 대학의 Shantanu Basu 교수는 Space.com에 "새로운 발견이 나올 때마다 기존 아이디어에 대한 제약이 더욱 강해졌습니다"라고 말했습니다. "우리는 빅뱅 이후 8억년 후에 초거대 블랙홀이 보였을 때 걱정했습니다. CEERS는 도전 과제를 엄청나게 증가시킵니다."

이는 초대질량 블랙홀이 우주의 희귀성이 아니라 상대적으로 초기 단계에 흔하다는 것을 의미하며, 따라서 블랙홀이 어떻게 거기에 도달했는지 설명할 메커니즘을 찾는 데 더 많은 압력을 가하고 있습니다.

빅뱅 이후에 남겨질 것으로 가정되는 원시 블랙홀을 제외하고, 블랙홀의 세 가지 주요 범주는 태양의 5~100배 질량을 갖는 항성질량 블랙홀, 100~10,000배 사이의 질량을 갖는 중간질량 블랙홀입니다. 태양과 위에서 언급한 질량을 지닌 초대질량 블랙홀의 경우입니다.

항성질량 블랙홀은 태양질량의 30~130배에 해당하는 가장 무거운 별이 핵융합을 위한 연료가 고갈되어 더 이상 자신의 중력을 지탱할 수 없을 때 형성됩니다. 이 별들의 외부 층이 거대한 초신성 폭발로 날아가면서 핵은 붕괴되어 항성질량 블랙홀, 즉 중심에 특이점이라고 불리는 무한 밀도 지점과 사건의 지평선이라고 불리는 외부 경계가 있는 공간 영역을 생성합니다. 중력은 너무 커서 빛조차도 빠져나올 수 없다.

초질량 블랙홀은 항성질량 블랙홀과는 다른 방식으로 형성되어야 합니다. 왜냐하면 별이 중력 붕괴를 수반하는 초신성과 같은 사건을 통해 진화하면서 질량을 흘릴 초기 시작 질량을 가질 만큼 충분히 큰 별이 불가능하기 때문입니다. 별이지만 여전히 초거대질량 블랙홀이 될 만큼 거대한 핵을 남긴다.