규칙을 깨는 블랙홀, 우주 '속도 제한'의 13배로 성장, 이론에 도전

Source: Slashdot

Background

초기 우주에서 온 놀라울 정도로 탐욕스러운 블랙홀 하나가 두 가지 주요 기대치를 깨고 있습니다. Live Science에 따르면, 이 블랙홀은 블랙홀 성장의 “속도 제한”을 초과할 뿐만 아니라 극심한 X‑ray와 라디오 방출을 동시에 생성하고 있습니다—이 두 현상이 동시에 존재한다는 것은 예측되지 않았던 특징입니다.

Observations of ID830

2024년 1월 21일 The Astrophysical Journal에 발표된 논문(link)에서 국제 팀은 퀘이사 ID830을 여러 파장에서 관측했습니다. 가스와 먼지가 블랙홀 쪽으로 끌려가면서 회전하는 흡착 원반을 형성합니다. 중력은 원반의 물질을 안쪽으로 끌어당기고, 낙하하는 물질에서 나오는 복사압은 바깥쪽으로 밀어내며, 이를 **에디슨 제한(Eddington limit)**이라 부르는 자기조절 과정을 만들게 됩니다.

ID830의 X‑ray 밝기는 이 블랙홀이 에디슨 제한의 약 13배에 해당하는 질량을 흡수하고 있음을 시사합니다. 이 초에디슨 단계는 갑작스러운 가스 유입 폭발에 의해 촉발되었을 가능성이 있으며, 이는 블랙홀이 너무 가까이 접근한 거대한 물체를 찢어 삼켰을 때 발생했을 수 있습니다. 공동 저자 사키코 오부치(와세다 대학)가 Live Science에 설명한 바와 같이:

“ID830처럼 거대한 초대질량 블랙홀(SMBH)의 경우, 일반적인 (주계열) 별이 아니라 더 무거운 거성이나 거대한 가스 구름이 필요합니다.”

이러한 단계는 약 300 년 정도의 짧은 기간에 해당한다고 예상됩니다.

Radio and X‑ray Emissions

ID830은 강력한 라디오 제트와 강렬한 X‑ray 방출을 동시에 보여주는데, 이는 표준 모델에서는 예상되지 않은 조합입니다. 초에디슨 흡착은 라디오 제트를 억제한다고 여겨지지만, 연구진은 “이 예상치 못한 조합은 현재의 극한 흡착 및 제트 발생 모델이 아직 완전히 포착하지 못한 물리 메커니즘을 암시한다”고 보고했습니다(statement).

• Radio jets – 블랙홀 근처에서 발사되는 거대한 물질 흐름.
• X‑ray corona – 흡착 원반 내 강한 자기장에 의해 생성된 얇고 난류가 있는 수십억도 온도의 입자 구름. 이 입자들은 빛의 속도에 가까운 궤도를 돌며, NASA가 “우주에서 가장 극한의 물리적 환경 중 하나”라고 묘사한 환경을 만듭니다(NASA).

이 두 현상이 동시에 나타난다는 것은 ID830이 과도한 물질 섭취와 에너지 방출을 동시에 겪는 드문 전이 단계에 있음을 의미하며, 전자기 스펙트럼 전반에 걸쳐 빛을 발하고 있음을 보여줍니다.

Implications for the Early Universe

UV 밝기 분석에 따르면, ID830과 같은 퀘이사는 이전에 생각했던 것보다 더 흔할 수 있습니다. 모델은 퀘이사 중 10 % 정도만이 눈에 띄는 라디오 제트를 가지고 있다고 예측하지만, 이러한 에너지 넘치는 객체들은 초기 우주에서 훨씬 더 많이 존재했을 가능성이 있습니다.

이 연구 결과는 초대질량 블랙홀이 은하 성장에 어떻게 영향을 미치는지를 보여줍니다. 블랙홀이 초에디슨 속도로 흡착하면, 방출되는 복사와 제트 에너지가 은하간 가스를 가열하고 흩어지게 하여 별 형성을 억제합니다. 따라서 ID830과 같은 고대 초대질량 블랙홀은 자신의 호스트 은하를 희생하면서 거대한 질량을 축적했을 가능성이 높으며, 이는 초기 우주 구조의 진화에 중요한 역할을 했을 것입니다.