초강력 블랙홀은 초기 우주에서 진화했다

연구팀에 따르면 그 답은 초기 우주의 극단적이고 혼란스러운 조건에 있다고 합니다.

“우리는 초기 우주에 존재했던 혼란스러운 조건이 초기의 작은 블랙홀을 몰아서 주변의 물질을 삼키는 광란의 먹이를 따라 나중에 우리가 볼 수 있는 초거대 블랙홀로 성장했다는 것을 발견했습니다.”라고 메이누스 대학교 물리학과 박사과정이자 이번 연구의 주요 저자인 Daxal Mehta는 말합니다.

빅뱅 이후 급속한 진화

연구자들은 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 최초의 블랙홀이 형성된 직후 어떻게 행동했는지 재구성했습니다.

“우리는 최첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 빅뱅 이후 수억 년 후에 발생한 1세대 블랙홀이 믿을 수 없을 만큼 빠르게 성장하여 태양 크기의 수천 배에 달했다는 사실을 밝혔습니다.”

이러한 결과는 많은 이론이 예측한 것보다 훨씬 일찍 초거대 블랙홀을 발견한 제임스 웹 우주 망원경의 수수께끼 같은 관찰을 설명하는 데 도움이 됩니다.

MU의 박사후 연구원이자 연구팀의 일원인 루이스 프롤(Louis Proll) 박사는 “이 획기적인 발전은 천문학의 위대한 수수께끼 중 하나를 풀어냈습니다.”라고 말했습니다. “제임스 웹 우주 망원경으로 볼 수 있듯이 초기 우주에서 탄생한 블랙홀은 이렇게 큰 크기에 매우 빠르게 도달했습니다.”

블랙홀이 광란을 키우고 있다

시뮬레이션은 밀도가 높고 가스가 풍부한 초기 은하가 이러한 급속한 성장의 주요 동인임을 지적합니다. 이러한 환경에서 블랙홀은 ‘슈퍼 에딩턴 강착’이라는 과정을 통해 짧지만 강렬한 성장을 경험합니다. 이는 블랙홀이 기존 물리학이 제안하는 것보다 훨씬 빠르게 물질을 빨아들일 때 발생합니다.

정상적인 상황에서는 낙하하는 물질의 방사선이 가스를 밀어냅니다. 그러나 초기 우주에서 블랙홀은 이러한 제한에도 불구하고 계속해서 먹이를 공급하여 놀라운 속도로 질량을 증가시킬 수 있었습니다.

이 과정은 우주의 첫 번째 별과 나중에 은하 중심에서 관찰되는 초대질량 블랙홀 사이의 오랫동안 누락된 연결을 제공하는 것으로 보입니다.

블랙홀의 기원을 다시 생각하다

“이 작은 블랙홀은 이전에는 초기 은하의 중심에서 볼 ​​수 있는 거대한 블랙홀로 성장하기에는 너무 작은 것으로 생각되었습니다.”라고 Dakhshal Mehta는 말합니다. “우리가 여기서 보여준 것은 초기 블랙홀이 작지만 적절한 조건에서 놀라운 속도로 성장할 수 있다는 것입니다.”

천문학자들은 원시 블랙홀을 ‘무거운 씨앗’과 ‘가벼운 씨앗’이라는 두 가지 일반적인 범주로 분류합니다. 가벼운 씨드 블랙홀은 우리 태양 질량의 약 10배에서 수백 배에 이르는 비교적 적당한 질량으로 시작됩니다. 거대 질량이 되려면 시간이 지남에 따라 극적으로 성장하여 결국 태양 질량의 수백만에 도달해야 합니다.

이와 대조적으로 거대 종자 블랙홀은 이미 크기가 크고, 태어날 때 태양 질량의 100만 배에 달할 가능성이 있는 것으로 생각됩니다.

오랫동안 지켜온 신념에 도전하다

지금까지 많은 과학자들은 오직 무거운 종자 블랙홀만이 초기 우주에 존재했던 초대질량 블랙홀을 설명할 수 있다고 믿었습니다.

“이제 우리는 확신할 수 없습니다.”라고 MU 물리학과의 John Regan 박사이자 연구 그룹의 리더는 말합니다. “무거운 씨앗은 좀 더 이국적이며 형성되기 위해서는 더 희귀한 조건이 필요할 수 있습니다. 우리의 시뮬레이션에 따르면 ‘정원 다양성’ 항성질량 블랙홀이 초기 우주에서 엄청난 속도로 성장할 수 있다는 것을 보여줍니다.”

이번 발견은 초기 우주가 거대한 블랙홀을 생성할 때 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 격동적이고 생산적이었다는 것을 보여줍니다.

“초기 우주는 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 혼란스럽고 격동적이었습니다. 우리가 생각했던 것보다 블랙홀의 수가 훨씬 많았습니다.”라고 Regan 박사는 말합니다.

미래 우주 임무에 대한 시사점

이번 연구는 블랙홀 형성 이론을 재편하는 것 외에도 다가오는 우주 관측소에 대한 시사점도 갖고 있습니다. 특히 이는 2035년에 발사될 예정인 유럽 우주국과 NASA의 공동 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA) 임무에서 과학자들이 기대하는 것에 영향을 미칠 수 있습니다.

Regan 박사는 “이 임무를 통해 미래에 중력파를 관측하면 작고 초기에 빠르게 성장하는 유아 블랙홀의 병합을 감지할 수 있을 것입니다.”라고 말합니다.

이러한 탐지는 우주 최초의 블랙홀을 연구하고 이러한 급속한 성장 시나리오가 시뮬레이션에서 제안하는 것인지 확인하는 강력하고 새로운 방법을 제공할 것입니다.