우주의 초대질량 블랙홀은 어떻게 형성되나요? 인간은 무엇을 발견했나요?

2019년 4월 10일, 인류 역사상 최초의 블랙홀 사진이 공개되어 블랙홀 탐사의 본격적인 서막이 열렸습니다. 블랙홀에 대한 우리의 이해는 아직 미미합니다. 심지어 빙산의 일각도 탐험되지 않았습니다.

블랙홀 형성과 관련하여 현재 이론은 거대한 별이 멸종 위기에 처해 있으며 핵의 모든 물질이 중성자로 변할 때 자체 중력으로 인해 핵이 급격히 수축한다는 것입니다. 수축과정이 멈추고 촘촘한 형태로 압축되면서 내부의 공간과 시간도 압축된다. 이때 가능성은 두 가지가 있는데, 하나는 극한까지 압축하여 중성자별이 되는 것이고, 다른 하나는 한계를 돌파하여 무한히 압축하여 블랙홀이 되는 것입니다!

그런데 크고 작은 블랙홀이 있는데, 그 초대질량 블랙홀은 어떻게 형성되는 걸까요? 우리는 항성 질량 블랙홀의 과정과 별의 중력 붕괴로 인해 블랙홀이 어떻게 형성되는지 이해합니다. 그러면 은하계 중심에 있는 놀라운 거대괴수는 어떻습니까? 태양보다 수십억 배 더 큰 질량으로 성장할 수 있는 초대질량 블랙홀(SMBH)은 어떻습니까? 어떻게 그렇게 커졌나요?

초거대 블랙홀은 가스와 별 전체를 소비하여 형성됩니다.

분명히 이 초거대 블랙홀은 처음에는 그렇게 거대하지 않았습니다. 그들은 성장해야 합니다. 대체로 말해서, 그것이 일어날 수 있는 방법은 오직 한 가지뿐입니다. 시간이 지남에 따라 합병과 삼켜짐을 통해 언젠가 초거대 블랙홀이 될 만큼 커지는 거대한 전성기 형태입니다.

문제는 연구 결과에 따르면 이러한 거대한 조상이 형성된 조건은 매우 드물지만 모든 거대 은하의 중심에 초대질량 블랙홀이 있다는 것은 약간 역설적입니다. 초대질량 블랙홀의 한 가지 문제점은 블랙홀이 너무 많다는 것입니다. 천문학자들은 모든 큰 은하계의 중심에 하나가 있다고 확신합니다. 그렇다면 그들은 어떻게 붕괴된 별에서 그렇게 거대한 물체로 변했을까요?

과학자들은 중소형 블랙홀의 전조인 별이 이전에 생각했던 것보다 더 넓은 범위의 조건에서 형성된다고 믿고 있다. 그들의 이론은 이들 전구체 별이 성간 가스를 축적할 뿐만 아니라 다른 작은 별을 삼키면서 성장했다는 것입니다.

하지만 모든 것은 거대한 성간 가스 구름에서 시작되었습니다. 이 구름에서는 거대한 별들이 자체 중력으로 인해 붕괴될 수 있습니다. 이들 조상별은 결국 중소형 별로 진화하게 됩니다.

하지만 문제가 있다. 연구에 따르면 직접 붕괴는 수소와 헬륨보다 무거운 원소가 없고 금속 함량이 낮은 구름에서만 발생할 수 있습니다. 가스 구름의 역학을 변화시키는 것은 산소와 탄소와 같은 더 무거운 원소의 존재입니다. 이러한 금속은 가스 구름을 냉각시키고 가스 자체가 붕괴되면서 더 작은 구름으로 부서집니다. 이러한 작은 구름은 SMBH의 전조가 될 만큼 거대한 별이 아닌 작은 별의 형성으로 이어집니다. 그러므로 원시 가스 구름의 직접적인 붕괴만으로는 우리가 은하 중심에서 볼 ​​수 있는 초대질량 블랙홀을 모두 설명할 수 없습니다.

거대 블랙홀을 만드는 원료는?

그러나 과학자들의 시뮬레이션에 따르면 이전 연구가 부분적으로 정확했습니다. 이 거대한 가스 구름을 식힐 만큼 충분한 금속 함량이 있다면, 그것들은 여전히 ​​부서져 더 작은 별들을 많이 형성할 것입니다. 그들의 연구에 따르면 강력한 가스 흐름이 구름 중심을 향해 흐르면서 작은 별들을 끌어들이고 중심에 있는 거대한 별에 휩싸이는 것으로 나타났습니다. 이런 식으로 구름이 부서지고 더 작은 별이 형성되더라도 금속이 풍부한 가스 구름은 여전히 ​​초대질량 블랙홀의 전구체가 될 만큼 충분히 거대한 별을 형성할 수 있습니다.

그러나 과학자들이 중원소가 풍부한 구름에서 이렇게 거대한 블랙홀 전구체가 형성되는 것을 발견한 것은 처음이다. 그러므로 그들은 이렇게 형성된 거대별이 계속해서 성장하여 거대한 블랙홀로 진화할 것이라고 믿을 만한 이유가 있습니다.

연구에 나온 수치는 붕괴 순간부터 300~600년 간격으로 별의 성장을 보여준다. 시뮬레이션에서 서로 다른 행은 서로 다른 금속 농도를 나타냅니다. 맨 위 행은 금속 함량이 없는 구름을 나타내며, 각 행 아래로 내려갈수록 금속 함량이 증가합니다. 이전 연구와 비교하면, 이 시뮬레이션은 고금속성 가스 구름에서도 거대한 전구체 별이 여전히 형성될 수 있음을 보여줍니다. 먼지가 식으면서 가스 유입과 함께 움직이다가 결국 중심별과 합쳐집니다.

따라서 원시별의 질량 성장은 구름의 금속성과 거의 무관합니다.

일반적으로 거대별은 우리가 거의 모든 큰 은하에서 볼 수 있는 중소형 블랙홀의 전조입니다. 강력한 시뮬레이션을 통해 이 연구는 이러한 전구체 별이 이전 연구에서 보여준 것보다 금속이 풍부한 가스 구름에서 형성될 가능성이 더 높다는 것을 보여줍니다. 그러나 이 연구는 거대질량 블랙홀의 형성을 명확하게 말해주지는 못합니다. 미래에 우리는 은하 중심에 있는 거대 거대질량 블랙홀은 어디에서 오는가?라는 질문에 답할 수 있을 것입니다.