초기 우주의 젊은 은하에서 성장하는 베이비 블랙홀을 보여주는 컴퓨터 시각화. 신용:Dr. John Regan 제임스 웹 우주 망원경을 사용하는 천문학자들은 우주가 아직 초기 단계에 있을 때 초거대 블랙홀, 즉 태양 질량의 수백만 배에 달하는 물체를 발견했습니다. 어떻게 그토록 크고 빠르게 성장했을까요?
자연 천문학의 새로운 연구 초기 우주는 어린 은하계를 새로 태어난 작은 블랙홀의 먹이가 되는 혼란스러운 장소로 전환함으로써 많은 연구자들이 생각했던 것보다 더 쉽게 만들 수 있었다고 주장합니다.
“우리는 초기 우주에 존재했던 혼란스러운 조건이 초기의 작은 블랙홀을 촉발하여 주변의 모든 물질을 집어삼키는 열광적인 공급에 따라 나중에 우리가 볼 수 있는 초거대 블랙홀로 성장했다는 것을 발견했습니다.”라고 아일랜드 메이누스 대학의 박사 과정 후보자인 닥살 메타(Daxal Mehta)는 성명에서 말했습니다.
메타(Mehta)와 그의 동료들은 최초의 은하계에 대해 유난히 예리한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 그러한 결론에 도달했습니다. 이러한 디지털 우주에서는 1세대 별의 잔재물로 시작된 블랙홀이 때때로 태양 질량의 약 1만 배까지 부풀어오르기도 했습니다.
"우리는 최첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 빅뱅 이후 불과 몇 억 년 후에 탄생한 1세대 블랙홀이 믿을 수 없을 만큼 빠르게 성장하여 태양 크기의 수만 배에 이르렀다는 사실을 밝혔습니다."라고 메타는 덧붙였습니다.
그렇다고 모든 초기 블랙홀이 타이탄이 되었다는 의미는 아닙니다. 그러나 연구에 따르면 올바른 우주 환경에 착륙하기만 하면 놀라운 숫자의 사람들이 그렇게 할 준비가 되어 있었을 수도 있습니다.
블랙홀 보육원
가스가 블랙홀을 향해 떨어지면서 가열되어 빛납니다. 빛이 충분히 강해지면 들어오는 가스를 밀어낼 수 있습니다. 천문학자들은 이 균형점을 에딩턴 한계라고 부르며, 수십 년 동안 블랙홀 성장에 대한 일종의 우주 속도 제한 역할을 해왔습니다.
메이누스 팀은 '빛의 씨앗' 블랙홀에 집중했습니다. 이것은 첫 번째 별이 죽었을 때 태어난 작은 블랙홀입니다. 많은 시나리오에서 이러한 씨앗은 중간 질량에서 시작하여 초대형 규모에 도달하려면 오랫동안 꾸준히 섭취해야 합니다.
그러나 시뮬레이션에서는 일부 씨앗이 급증했습니다.
연구자들은 일반적으로 오늘날 형성되는 대부분의 별보다 훨씬 더 질량이 큰 것으로 생각되는 집단 III 별이라고 알려진 초기의 금속이 없는 별에서 형성되는 블랙홀을 모델링했습니다. 최고 해상도 실행에서 시뮬레이션은 작은 블랙홀 바로 주변의 밀도가 높은 가스 흐름을 추적할 수 있을 만큼 미세한 구조를 약 10분의 1 파섹(대략 성단의 내부 영역 규모)까지 분해할 수 있었습니다.
보다 정밀한 시뮬레이션을 통해 저해상도 모델에서는 감지하지 못하는 짧고 강렬한 성장 에피소드를 포착했습니다.
연구에 따르면 이러한 급격한 성장은 우주 기준으로 보면 대략 10만~100만년 정도 지속되는 짧은 기간이었다. 그러나 가장 강렬한 폭발이 일어나는 동안 일부 블랙홀은 시뮬레이션에서 일반적인 한계 또는 짧은 기간보다 최대 1000배까지 가스를 끌어당겼습니다.
더 쉽게 말하면 초기 우주에서는 블랙홀이 속도 제한을 깨는 경우도 있었습니다.
그러한 폭식은 가스가 계속 쌓일 수 있을 만큼 조밀하고 차갑고 느리게 움직이는 주변 환경에 의존했습니다. 그러나 그들은 또한 내장된 차단에 직면했습니다. 근처 별의 폭발과 일부 경우에는 블랙홀 자체에 의해 주입되는 열이 주변 지역을 휩쓸어 블랙홀을 굶주리고 급격한 성장을 멈출 수 있습니다.
더 가까이 듣기
아주 초기 우주에서 우주 구조의 출현을 보여주는 컴퓨터 생성 이미지. 신용:Dr. John Regan 이전에는 이러한 초기 거인을 설명하는 일반적인 방법 중 하나는 "무거운 씨앗" 블랙홀, 즉 이미 거대하게 탄생한 물체, 때로는 태양 질량의 최대 100,000배에 달하는 물체에 대한 아이디어였습니다. 크게 시작하면 설명할 성장이 적기 때문에 초기 초거대 블랙홀의 수수께끼를 더 쉽게 설명할 수 있습니다.
새로운 시뮬레이션은 무거운 씨앗을 제거하지 않습니다. 그러나 결과는 무거운 씨앗이 필요하다는 가정을 약화시켰습니다.
“이 작은 블랙홀은 이전에는 초기 은하의 중심에서 관찰된 거대 블랙홀로 성장하기에는 너무 작은 것으로 생각되었습니다.”라고 메타는 말했습니다. "여기서 우리가 보여준 것은 이러한 초기 블랙홀이 작지만 적절한 조건이 주어지면 놀랍도록 빠르게 성장할 수 있다는 것입니다."
만약 그것이 맞다면, 초기 우주는 오늘날 은하계를 정박하고 있는 초거대 짐승과 별의 잔해 사이의 디딤돌 역할을 하는 더 많은 중간 크기의 블랙홀을 생성했을 수도 있습니다. 시뮬레이션에서는 여러 블랙홀이 다른 블랙홀과 병합되기보다는 주로 가스를 끌어당겨 태양 질량의 약 1만 배까지 성장하는 것을 보여줍니다.
연구팀의 박사후 연구원인 루이스 프롤(Lewis Prole)은 성명에서 “이 획기적인 발전은 천문학의 큰 수수께끼 중 하나를 풀었습니다.”라고 말했습니다. “제임스 웹 우주 망원경으로 관찰한 바와 같이, 초기 우주에서 탄생한 블랙홀이 그렇게 빨리 초대질량 크기에 도달한 이유가 바로 이것이었습니다.”
이 아이디어는 또한 초기 블랙홀 집단의 중력파 신호를 통해 보는 대신 듣는 것을 제안합니다.
