유클리드, 1년 만에 10년치 고대 퀘이사 발견

지난 10년 동안, 우주가 10억 년도 채 되지 않았을 때 이미 태양 질량의 10억 배에 달하는 블랙홀에 의해 구동되는 단일 퀘이사를 확인하는 데는 여러 망원경을 동원한 공동 노력과 수개월에 걸친 후속 분광 관측이 필요했다. 그 노력의 전체 누적 결과는 대략 10개의 확인된 천체에 불과했다. 유클리드(Euclid)는 과학 운영 첫해에 12개를 확인했다.

이 수치는 라이덴대학교(Leiden University) 박사과정생 다밍 양(Daming Yang)과 동료들이 에 게재한 논문의 핵심 결과로, 유클리드의 첫 번째 4분의 1 하늘 데이터를 활용한 41편의 논문 특별호의 일부다. 전체 목록에는 우주 초기 시대의 이전에 알려지지 않은 31개의 퀘이사가 포함되어 있다. 이들은 각각 약 1조 개의 태양에 해당하는 광도를 내뿜으며, 우주가 현재 나이의 극히 일부에 불과했을 때 이미 자리 잡고 있던 초대질량 블랙홀에 의해 구동되는 고대 광원이다.

목록에서 가장 먼 두 천체는 EUCL J172902.75+641018.1과 EUCL J125308.55+705432.3으로 명명되었으며, 적색편이 7.77과 7.69를 기록하여 어떤 관측 조사에서 개별적으로 분해된 천체 중 가장 먼 거리에 있는 것들 중 하나가 되었다. 이들의 빛은 우주의 나이가 약 6억 7천만 년이었을 때 떠났다.

유클리드가 평범한 별처럼 보이는 천체를 식별하는 방법

고대 퀘이사를 탐지하는 것은 말 그대로 바늘 더미에서 바늘 하나 찾는 문제다. 극한 거리에서 퀘이사의 자외선 복사는 우주의 팽창에 의해 근적외선 영역으로 늘어나며, 이러한 이동은 특성 스펙트럼 선을 대부분의 지상 관측 기기가 효율적으로 도달하기 어려운 파장에 위치시킨다. 더 실질적인 문제는, 그 결과로 나타나는 희미하고 붉은 외관이 표준 가시광선 이미지에서 훨씬 더 가깝고 훨씬 더 많은 수의 M형 왜성과 거의 구별이 불가능하게 만든다는 점이다. 유클리드 이전의 대부분의 탐지는 여러 관측 조사(서로 다른 관측 깊이와 필터 범위를 가진) 간에 천체를 매칭한 후, 대형 망원경의 값비싼 관측 시간을 확보하기 위해 후보를 우선순위로 지정하는 방식에 의존했다.

유클리드는 두 문제를 동시에 해결한다. 근적외선 분광기 및 측광기(NISP)는 0.95~2.0 마이크론 파장을 포괄하는데, 이는 z≥7 퀘이사의 적색편이된 라이만-알파(Lyman-alpha) 방출선이 위치하는 영역과 정확히 일치한다. 동시에 광대역 측광 데이터를 포착하여 초기 후보 선별을 가능하게 한다. 이 조사 영역은 궁극적으로 지상에서는 도달할 수 없는 깊이로 하늘의 3분의 1을 커버하도록 설계되었으며, 가장 희귀한 천체들의 유용한 표본을 담을 수 있을 만큼 큰 통계적 부피를 생성한다. “그들의 원시 빛은 희미할 뿐만 아니라 우리에게 더 가까이 있는 별들의 빛과 혼동되기 쉽습니다,”라고 유클리드 팀의 ESA 연구원 안토니오 라 마르카(Antonio La Marca)가 말했다.

양 박사의 팀은 Q1 데이터에 측광 선별 알고리즘을 적용하여 z≥7의 퀘이사와 일치하는 후보를 식별했고, 별도의 지상 관측 캠페인 없이 NISP의 분광 모드를 사용하여 탐지를 확인했다. 이전의 조사 방법 대비 효율성 향상은 10년간의 누적 결과와 1년 만에 확인된 12개 천체의 차이를 만들어낸다.

적색편이 7 임계값이 실제로 의미하는 것

적색편이는 주어진 광자가 방출된 이후 우주가 얼마나 팽창했는지를 정량화한다. 적색편이 z=7은 우주의 현재 선형 크기의 약 8분의 1에 해당하며, 이는 약 130억 년의 과거 시점, 즉 빅뱅 이후 6억 7천만 년의 우주 나이를 의미한다. 그 시점에 우주는 재이온화(reionization)를 완료하고 있었다. 이는 최초의 광원에서 나온 자외선 출력이 초기 우주를 불투명하게 유지했던 수소 가스를 이온화하는 과정이다.

z≥7의 퀘이사는 재이온화의 주요 동인 중 하나였지만, 동시에 역설이기도 하다. 이들은 표준 구조 형성 모델 하에서는 최초의 별들이 형성될 시간조차 거의 없었던 우주 역사의 한 지점에서 수십억 태양질량에 도달할 만큼 빠르게 성장한 초대질량 블랙홀을 필요로 하기 때문이다. 우리 은하의 중심 블랙홀인 궁수자리 A*(Sagittarius A*)는 약 400만 태양질량이며, 우주의 전체 나이인 138억 년에 걸쳐 그 질량을 축적했다. 유클리드 목록에 있는 z≥7 퀘이사를 구동하는 블랙홀은 그보다 수백에서 수천 배 더 무겁지만, 같은 시간의 5% 미만 동안 그 질량을 축적했다.

“이 괴물들 — 우리 태양 질량의 수십억 배에 달하는 — 은 우주가 아주 어렸을 때 어떻게든 이미 존재했습니다,”라고 UC 산타바바라(UC Santa Barbara)에서 양 박사의 지도교수이자 논문 공동저자인 조셉 헤나위(Joseph Hennawi)가 말했다. 단 1년의 데이터에서 12개 이상을 발견했다는 것은 이들이 통계적 이상값이 아님을 보여준다. 이제 표본이 하나의 개체군으로 다루기에 충분히 커진 것이다.

목록이 해결하지 못하는 것

추가로 확인된 탐지는 제안된 형성 메커니즘들을 구별하지는 못하면서도 양적 근거를 강화한다. 주요 후보 메커니즘으로는 지속적인 초에딩턴 강착(super-Eddington accretion: 가스가 표준 복사압 한계보다 빠르게 씨앗 블랙홀로 떨어져 들어가 관측된 질량을 구축할 수 있을 만큼 오랜 기간 지속되는 현상), 거대한 원시 가스 구름이 항성 잔해보다 훨씬 무거운 씨앗 블랙홀로 직접 붕괴하는 현상, 그리고 최초의 초대질량 블랙홀이 가동되기 전에 조밀한 초기 성단들이 빠르게 병합하는 현상 등이 있다. 각 메커니즘은 독립적인 관측 제약에 직면해 있으며, 유클리드 데이터에는 이를 직접 테스트하는 데 필요한 모은하 특성 분석이 아직 포함되어 있지 않다.

양 박사의 논문은 31개 천체 목록이 더 큰 근원 모집단 중 밝은 부분집합, 즉 Q1 데이터에서 명확하게 드러날 만큼 충분히 밝고 적색편이 및 하늘 위치의 적절한 조합을 가진 천체들을 대표한다고 지적한다. 완전성 모델을 위해서는 계속 관측 중인 유클리드 광역 조사(Euclid wide survey) 전체가 필요할 것이다. 모든 31개 천체에 적용되는 한 가지 실질적인 주의사항은 형성 모델을 테스트하는 데 필수적인 모은하 특성 분석이 조사 자체가 제공하는 것보다 더 깊은 관측을 요구한다는 점이다. 하이델베르크(Heidelberg) 소재 막스 플랑크 천문학 연구소(Max Planck Institute for Astronomy)의 실비아 벨라디타(Silvia Belladitta)가 목록에서 두 번째로 먼 천체에 대한 후속 분광 관측을 수행했다. 계획된 지상 관측 캠페인은 전체 표본을 대상으로 할 것이다.

유클리드의 고대 퀘이사에 관한 일반적인 질문들

퀘이사란 정확히 무엇이며, 그 밝기가 중요한 이유는 무엇인가요?

퀘이사는 주변 가스를 활발히 강착하는 초대질량 블랙홀에 의해 구동되는 은하의 극도로 밝은 핵입니다. 강착 원반에서 물질이 가열되면서 전자기 스펙트럼 전역에 걸쳐 복사하며, 그 밝기는 모은하에 있는 모든 별들을 합친 것보다 더 밝게 빛날 수 있습니다. 여기서 보고된 거리에서는 중심 엔진만이 탐지 가능합니다. 모은하는 너무 희미하고 너무 작아서 분해할 수 없습니다. 극도의 광도 덕분에 유클리드가 130억 광년 떨어진 천체를 탐지할 수 있는 것입니다.

왜 이 천체들이 우주론에 문제를 제기하는 것으로 설명되나요?

표준 블랙홀 성장 모델은 에딩턴 한계(Eddington limit)로 알려진 강착률의 자연적 상한선을 설정합니다. 별이 남길 수 있는 가장 큰 블랙홀인 항성질량 씨앗이 이 속도로 지속적으로 강착한다면, 빅뱅 이후 이 퀘이사들이 존재했던 시대까지의 가용 시간 내에 10억 태양질량에 도달할 수 없습니다. 단일 관측 조사 연도에 12개 이상을 발견했다는 것은 이들이 너무 흔해서 어떤 이례적인 단일 사건으로는 설명할 수 없으며, 형성 메커니즘이 규모를 갖춰 작동해야 함을 의미합니다.

유클리드는 이런 유형의 천체에 대한 이전 조사들과 어떻게 비교되나요?

유클리드 광역 조사(Euclid Wide Survey)는 결국 지상 조사가 비슷한 면적에서 따라잡을 수 없는 근적외선 감도로 약 14,000 제곱도를 커버할 예정입니다. 이전 세대의 조사들(슬로안 디지털 전천탐사(Sloan Digital Sky Survey)와 UKIRT 적외선 심층 탐사(UKIRT Infrared Deep Sky Survey) 포함)은 10년 이상의 결합된 관측 기간 동안 이전의 z≥7 퀘이사 목록 대부분을 식별했습니다. 유클리드의 NISP 장비는 초기 선별과 분광 선별을 동시에 수행하여, 이전에는 별도의 캠페인이 필요했던 작업을 단일 관측 통과로 압축합니다.

이 연구 프로그램의 다음 단계는 무엇인가요?

적색편이 측정을 개선하고 모은하를 특성화하기 위해 전체 31개 천체 표본에 대한 지상 기반 후속 분광 관측이 계획되어 있습니다. 추가 유클리드 데이터 공개는 광역 조사가 하늘 면적을 축적함에 따라 목록을 확장할 것입니다. 26시간 관측으로 포착된 6천만 개의 별을 포함하는 우리 은하의 팽대부를 관측한 유클리드의 Q2 데이터는 6월 말에 공개되었습니다. 이후의 공개 자료는 고적색편이 퀘이사 탐색과 관련된 더 많은 은하외 하늘 영역을 추가할 것입니다. “이들을 발견하고 연구함으로써,”라고 양 박사는 썼습니다, “우리는 이 거대한 시스템들이 어떻게 그렇게 빠르게 형성되고 성장했는지 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.”

참고문헌: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

태그: 천문학, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars