제임스 웹, 우주 탄생 13억 년 후 '먹이를 먹는' 초대질량 블랙홀 쌍 발견…역대 최근접 거리

제임스 웹 우주망원경(JWST)이 초기 우주에 대한 두 가지 획기적인 발견을 발표했습니다. 바로 '먹이를 먹는'(물질을 빨아들이는) 초대질량 블랙홀 쌍과, 별도로 하나의 은하에서 발견된 총 3개의 활동성 블랙홀입니다. 이 발견들은 젊은 우주에서 블랙홀이 잦은 합병과 가스가 풍부한 상호작용을 통해 빠르게 성장했음을 보여주며, JWST의 적외선 감도 덕분에 이전 망원경으로는 완전히 보이지 않았던 천체들이 드러나고 있습니다.

가장 가까운 확인된 쌍: LID-1166

LID-1166으로 명명된 이 시스템은 약 4,900광년(1.5킬로파섹) 떨어진 두 개의 활동성 초대질량 블랙홀을 포함하고 있습니다. 이는 초기 우주에서 확인된 이중 활동성 블랙홀 시스템 중 가장 가까운 거리입니다. 이 시스템은 우주의 나이가 현재의 약 10%에 불과했던 13억 년 시절의 모습입니다.

왜 이전 망원경이 이를 놓쳤을까요? LID-1166은 찬드라 COSMOS Legacy 관측에서 X선원으로 처음 발견되었지만, 허블 우주망원경의 가장 깊은 이미지에서도 전혀 감지되지 않았습니다. 이유는 블랙홀들이 가시광선과 근적외선을 차단하는 짙은 가스와 먼지 속에 묻혀 있었기 때문입니다.

JWST의 선택: 미 국립과학재단(NOIRLab)의 Hyewon Suh가 이끄는 연구팀은 JWST의 근적외선 분광기인 NIRSpec을 사용했습니다. NIRSpec은 4,900광년 떨어진 두 개의 작고 빛나는 천체를 포착했으며, 각각에서 고속으로 회전하는 가스의 분광학적 특징을 발견했습니다. 이는 활동성 초대질량 블랙홀(활성 은하핵, AGN)의 명백한 신호입니다. 공동 저자인 Roberto Decarli는 "이 발견 단계는 JWST, 특히 NIRSpec 장비의 뛰어난 이미징 및 분광 능력 덕분에 가능했습니다. 지상에서 비슷한 관측을 하는 것은 대기의 투과율이 낮아 매우 어려웠을 것입니다"라고 말했습니다.

ALMA가 추가로 밝힌 것: 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파간섭계(ALMA)는 각 AGN과 관련된 거대한 차가운 가스 덩어리를 감지했습니다. Decarli는 이것이 "합쳐지기 직전인 두 은하의 중심에 각각의 AGN이 자리잡고 있음을 가리킨다"고 설명했습니다. 각 블랙홀 주변의 차가운 가스 은하 환경은 이론적으로 가능한 다른 특이한 형성 시나리오를 배제하고, 실제 가스가 풍부한 은하 합병임을 확인시켜 주었습니다. 이 연구는 *네이처 천문학(Nature Astronomy)*에 게재 승인되었습니다(사전 출판본 arXiv:2607.19491).

별도의 첫 사례: 하나의 은하에서 발견된 세 개의 활동성 블랙홀

막스 플랑크 외계물리학 연구소의 Hannah Übler가 이끈 동시 연구에서는 단일 은하 J0148-4214 내에서 세 개의 물질을 빨아들이는 초대질량 블랙홀이 확인되었습니다. 이 은하는 지구에서 125억 광년 이상 떨어져 있으며(적색편이 z=5.0167), 이는 빅뱅 이후 약 12억 년 후의 모습에 해당합니다.

삼중 블랙홀의 배치: 두 개의 블랙홀은 은하 중심에 나란히 위치해 있으며, 투영 거리가 불과 620광년에 불과해 합쳐지기 직전인 것으로 추정됩니다. 세 번째 블랙홀은 은하 외곽 지역, 중심에서 약 5,500광년 떨어진 곳에 자리 잡고 있습니다. 질량 범위는 태양 질량의 수백만 배에서 약 8천만 배에 이릅니다.

탐지 방법: 연구팀은 JWST의 NIRSpec을 적분장 분광 모드(NIRSpec-IFS) 로 사용하여 공간 분해 분광법을 통해 각 블랙홀의 스펙트럼 지문을 포착했습니다. 각 블랙홀은 넓은 H-알파 방출선(반치폭 FWHM 430–2,920 km/s) 이 확인되고 금지선이 동반되지 않은 특징으로 식별되었는데, 이는 거대 블랙홀 주변을 공전하는 가스의 명확한 신호입니다.

이는 초기 우주에서 하나의 은하 내에서 세 개의 활동성 초대질량 블랙홀이 발견된 첫 번째 사례입니다. Übler는 "이는 초기 우주의 과정이 거대 블랙홀들을 효과적으로 한데 모았고, 이는 미래의 중력파 관측소가 감지할 것으로 예상되는 거대 블랙홀 합병의 토대를 마련했음을 시사합니다"라고 말했습니다. 이 연구는 BlackTHUNDER 프로젝트의 일환으로 *천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)*에 게재되었습니다.

이 발견이 의미하는 것

이 두 결과는 함께 우주 역사의 중요한 단계를 보여주는 새로운 창을 제공합니다. 이는 초대질량 블랙홀이 빅뱅 이후 15억 년도 채 되지 않은 시점에 존재했을 뿐만 아니라 가스가 풍부한 환경에서 활발히 합쳐지고 성장하고 있었음을 보여줍니다. JWST가 짧은 파장으로는 뚫을 수 없는 먼지를 적외선으로 관통하는 능력이 바로 이 숨겨진 블랙홀 시스템을 드러낸 핵심이었습니다. LID-1166 연구에서 지적했듯이, 허블과 같은 이전 망원경은 블랙홀을 먹여 살리는 바로 그 가스와 먼지에 가려져 이 천체들을 전혀 볼 수 없었습니다.