퀘이사(quasar)는 활발한 초대질량 블랙홀(supermassive black hole)을 중심으로 하는 은하의 극도로 밝은 코어이다. 블랙홀은 주변의 가스와 먼지를 끌어당기면서 막대한 에너지를 방출하여, 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 물체 중 하나로 자리잡았다. 퀘이사는 대폭발(Big Bang) 이후 몇억 년이 채 지나지 않아 관측되었지만, 이러한 물체들이 짧은 시간에 어떻게 그렇게 밝고 거대해질 수 있었는지에 대한 의문은 여전히 풀리지 않았다.

과학자들은 초기 퀘이사가 고밀도 원시 물질 지역에서 형성되었으며, 이러한 지역은 퀘이사가 있는 환경에서 많은 작은 은하들을 생성했을 것이라고 제안했다. 그러나 MIT가 주도한 새로운 연구에서, 천문학자들은 초기 우주에서 의외로 고립된 고대 퀘이사를 관찰했다.

MIT의 과학자들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용해 130억 년 이상 전의 우주를 살펴보며, 다섯 개의 고대 퀘이사 주변 환경을 연구했다. 이들은 퀘이사의 이웃, 즉 "퀘이사 필드"에서 놀라운 다양성을 발견했다. 일부 퀘이사는 50개 이상의 이웃 은하가 있는 매우 혼잡한 지역에 자리 잡고 있지만, 나머지 퀘이사는 몇 개의 유리한 은하만 있는 공허한 지역에 떠 있는 것으로 나타났다. 이러한 고립된 퀘이사는 우주 초기에서 이러한 빛나는 물체가 주변 물질의 공급원이 거의 없는 상태에서 어떻게 형성될 수 있었는지에 대한 물리학자들의 이해에 도전하고 있다.

“이들 퀘이사는 평균적으로 초기 우주의 가장 높은 밀도 지역에 꼭 있는 것은 아닙니다. 일부는 '아무도 없는' 곳에 자리 잡은 것 같습니다. 이러한 퀘이사가 먹이를 공급받을 것이 없는데 이렇게 커질 수 있었던 이유를 설명하기가 어렵습니다.”라고 MIT의 물리학 조교수인 안나-크리스티나 아일러스(Anna-Christina Eilers)가 말했다.

이러한 퀘이사가 실제로는 고립된 것처럼 보이지 않고, 대신 먼지에 가려져 있어 보이지 않는 은하들로 둘러싸여 있을 가능성도 있다. 아일러스와 그녀의 동료들은 이러한 우주 먼지를 통해 관측을 조정해 퀘이사가 어떻게 그렇게 빠르게 성장했는지를 이해하기 위해 노력할 예정이다.

고대 퀘이사의 발견
이번 연구에서 관측된 다섯 개의 퀘이사는 현재까지 관측된, 가장 오래된 퀘이사 중 하나로, 130억 년 이상 전에 형성된 것으로 추정된다. 이들은 대폭발 이후 약 6억에서 7억 년 사이에 형성된 것으로 생각되며, 이 퀘이사를 지탱하는 초대질량 블랙홀은 태양의 10억 배에 달하는 질량을 가지며, 밝기는 1조 배에 이른다. 이들의 극단적인 밝기 덕분에 각 퀘이사의 빛은 우주의 연대를 넘어서 JWST의 고감도 탐지기에 도달할 수 있다.

“이제 130억 년 전의 빛을 그렇게 자세히 관찰할 수 있는 망원경이 있다는 것은 경이로운 일입니다, 이번에 우리는 퀘이사가 자란 환경을 처음으로 살펴보았고, 그 이웃이 어떤 모습인지 알게 되었습니다.”라고 연구원 아일러스는 말했다.

연구팀은 2022년 8월부터 2023년 6월 사이 JWST가 촬영한 다섯 개의 고대 퀘이사의 이미지를 분석했다. 각 퀘이사에 대한 관측은 여러 "모자이크" 이미지로 구성되어, 퀘이사의 필드에 대한 부분적인 시각을 제공했다. 연구팀은 이를 효과적으로 이어 붙여 각 퀘이사의 주변 이웃에 대한 전체적인 그림을 만들었다.

망원경은 각 퀘이사의 필드에서 여러 파장에서의 빛을 측정했으며, 연구팀은 이를 통해 필드 내 특정 물체가 이웃 은하에서 발생한 빛인지, 그리고 은하가 훨씬 더 밝은 중앙 퀘이사에서 얼마나 떨어져 있는지를 판별할 수 있었다.

“이 다섯 개의 퀘이사 간 유일한 차이점은 그들의 환경이 매우 다르게 보인다는 것입니다, 예를 들어, 한 퀘이사 주변에는 거의 50개의 은하가 있지만, 다른 퀘이사는 단 두 개만 있습니다. 그리고 두 퀘이사는 모두 같은 크기와 밝기, 그리고 우주의 시대에 있습니다. 이 사실은 정말 놀라웠습니다.”라고 아일러스는 설명했다.

블랙홀의 성장
퀘이사 필드의 이러한 불일치는 블랙홀 성장 및 은하 형성에 대한 표준 모델에 균열을 일으킨다. 초기 우주에서 첫 번째 물체들이 어떻게 나타났는지를 이해하기 위해 과학자들이 가장 잘 알고 있는 방법에 따르면, 암흑 물질의 우주적 웹(cosmic web)이 그 과정을 설정했어야 한다. 암흑 물질은 중력 외에 주변과의 다른 상호작용이 없는 알려지지 않은 형태의 물질이다.

대폭발 이후, 초기 우주는 가스와 먼지를 끌어당기는 일종의 중력 도로 역할을 하는 암흑 물질의 필라멘트를 형성했을 것으로 여겨진다. 이러한 웹의 고밀도 지역에서 물질이 축적되어 더 큰 물체가 형성되었고, 퀘이사와 같은 가장 밝고 대규모 초기 물체는 웹의 가장 높은 밀도 지역에서 형성되었을 것으로 생각된다.

“암흑 물질의 우주적 웹은 우리 우주론 모델의 강력한 예측이며, 수치 시뮬레이션을 통해 자세히 설명할 수 있습니다, 우리의 관측과 이러한 시뮬레이션을 비교함으로써, 퀘이사가 암흑 물질 웹의 어느 위치에 있는지를 파악할 수 있습니다.”라고 공동 저자인 에리아 피자티(Elia Pizzati)가 말했다.

과학자들은 퀘이사가 대폭발 이후 10억 년도 채 지나지 않은 시점에서 극단적인 질량과 밝기를 가지기 위해서는 매우 높은 물질 흡수율을 지속해서 가져야 했을 것으로 추정한다. “우리가 답하려는 주요 질문은, 우주가 아직 매우 젊은 시기에 어떻게 이 10억 태양 질량의 블랙홀들이 형성될 수 있었느냐는 것입니다,”라고 아일러스는 말했다.

연구팀의 발견은 더 많은 질문을 일으킬 수 있다. “고립된” 퀘이사는 우주의 상대적으로 비어 있는 지역에서 발견되며, 물리학자들의 우주론 모델이 맞다면 이러한 황량한 지역은 매우 적은 암흑 물질을 의미한다. 그렇다면 극도로 밝고 거대한 퀘이사는 어떻게 존재할 수 있었던 것일까?

“우리의 결과는 이러한 초대질량 블랙홀이 성장하는 방식에 대한 중요한 퍼즐 조각이 여전히 부족하다는 것을 보여줍니다, 일부 퀘이사가 지속해서 성장할 수 있을 만큼 주변에 충분한 물질이 없다면, 우리는 아직 이해하지 못한 다른 방식으로 그들이 성장할 수 있어야 합니다.””라고 아일러스는 말했다.

이번 연구는 유럽 연구 위원회의 지원을 받아 진행되었다.

참조:
1. Anna-Christina Eilers, Ruari Mackenzie, Elia Pizzati, Jorryt Matthee, Joseph F. Hennawi, Haowen Zhang, Rongmon Bordoloi, Daichi Kashino, Simon J. Lilly, Rohan P. Naidu, Robert A. Simcoe, Minghao Yue, Carlos S. Frenk, John C. Helly, Matthieu Schaller, Joop Schaye. EIGER. VI. The Correlation Function, Host Halo Mass, and Duty Cycle of Luminous Quasars at z ≳ 6. The Astrophysical Journal, 2024; 974 (2): 275 DOI: 10.3847/1538-4357/ad778b