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블랙홀과 빅뱅의 연관성: 블랙홀의 붕괴가 우주에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있는 이유는 무엇인가?
우주 초기에는 직접 붕괴 블랙홀(DCBH)이 초대질량 블랙홀의 주요 기원이었을 수 있습니다. 이러한 고품질 블랙홀 씨앗은 대량의 물질이 직접적으로 붕괴되어 형성되며, 우주의 나이는 대략 1억~2억 5천만년 전인 적색편이 범위 z=15~30에서 형성된 것으로 추측됩니다. 소위 3세대 별이라고 불리는 1세대 별에서 형성되는 블랙홀 씨앗과 달리, 이러한 붕괴 블랙홀은 직접적인 일반 상대론적 불안정성을 통해 형성됩니다. 이들의 일반적인 질량은 약 105 M☉에 달할 수 있습니다. 이 범주의 블랙홀 시드는 적색편이 z~7에 이미 존재하는 초대질량 블랙홀의 문제를 해결하기 위해 이론적으로 처음 제안되었으며, 이는 많은 관측을 통해 확인되었습니다.
붕괴 블랙홀은 동시에 만족하기 어려운 환경적 물리적 조건의 독특한 조합을 통해 형성됩니다.
형성 메커니즘
붕괴하는 블랙홀의 형성에는 성단의 형성보다는 가스의 직접적인 붕괴를 촉진하는 몇 가지 주요 환경 조건이 관련되어 있습니다. 첫째, 가스는 금속이 없어야 하며(즉, 수소와 헬륨만 포함), 둘째, 원자 냉각 효과가 있어야 하며, 마지막으로 매우 효과적인 가스 냉각제인 수소 분자를 파괴할 수 있을 만큼 충분히 강력한 Lyman-Wirt 광자 흐름을 가져야 합니다. 이러한 가스의 냉각 과정을 방해할 수 없다면 가스 구름은 중력 붕괴를 겪고 약 107g/cm3의 극도로 높은 질량 밀도에 도달하게 됩니다. 그러한 밀도에서 물체는 일반적인 상대론적 불안정성을 경험하여 일반적으로 최대 105 M☉ 또는 최대 100만 M☉의 질량을 가진 블랙홀이 형성됩니다.
이러한 물체는 중간 별 단계를 통과하지 않고 원래 가스 구름에서 직접 붕괴하므로 붕괴 블랙홀이라고 합니다.
최근 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 강력하고 차가운 강착 흐름이 드물게 집중되어 자외선 배경이나 초음속 흐름, 원자 냉각 없이도 이러한 블랙홀 씨앗을 형성할 수 있다고 합니다. 이 시뮬레이션에서 중력은 중입자 질량이 태양 질량 4,000만 M☉까지 커질 때까지 난류를 마침내 극복하지 못하고 단순히 붕괴되어 두 개의 초대질량 별을 형성했으며, 이는 결국 질량 31,000 및 40,000 M☉의 붕괴하는 블랙홀로 변했습니다.
붕괴되는 블랙홀의 수
붕괴하는 블랙홀은 중요한 이론적 가치를 갖고 있지만 과학자들은 일반적으로 블랙홀 생성에 필요한 세 가지 기본 조건을 동시에 충족하는 것이 매우 어렵기 때문에 적색편이가 높은 우주에서는 블랙홀이 상대적으로 드물다고 믿고 있습니다. 현재 우주론적 시뮬레이션에서는 적색편이 15에서 입방 기가파스초당 평균 약 하나의 붕괴 블랙홀이 있을 것으로 예측합니다. 다양한 가정 하에서 붕괴하는 블랙홀의 수는 입방초당 107기가파초에 달할 것으로 예측되지만 이를 위해서는 극도로 높은 Lyman-Wirt 광자 플럭스가 필요합니다.
이는 향후 관측, 특히 핵심이 될 장셴왕 우주 망원경을 사용한 관측에 대한 기대를 높입니다.
탐지 및 발견
2016년 하버드 대학의 천체 물리학자인 파비오 파쿠치(Fabio Pacucci)가 이끄는 팀은 허블 우주 망원경과 찬드라 X선 관측소의 데이터를 사용하여 처음으로 두 개의 붕괴하는 별인 적색편이 z를 식별했습니다. 이 두 후보의 값은 모두 6보다 크고 이러한 유형의 천체의 스펙트럼 특성에 적합합니다. 이러한 소스는 높은 적색편이에서 다른 소스와 비교할 때 상당한 초과의 적외선 복사를 예측합니다. 향후 관측은 이러한 후보 블랙홀의 특성을 결정하는 데 핵심이 될 것입니다.
다른 블랙홀과의 차이점
원시 블랙홀은 에너지나 이온화된 물질 또는 둘 다의 직접적인 급격한 감소로 인해 형성되는 반면, 붕괴 블랙홀은 조밀하고 큰 가스 구름의 직접적인 붕괴로 인해 형성된다는 점을 지적해야 합니다. 또한, 인구 III 별에 의해 형성된 블랙홀은 "직접" 붕괴 블랙홀로 분류되지 않습니다.
붕괴하는 블랙홀의 존재는 우주 초기에 블랙홀이 형성되었다는 사실을 설명할 뿐만 아니라 우주 진화에 대한 우리의 이해에도 의문을 제기합니다.
붕괴 블랙홀의 발견은 의심할 여지 없이 초기 우주의 은하 구조와 블랙홀 형성을 연구하는 데 새로운 관점을 제공하며, 이는 보다 심층적인 사고로 이어질 것입니다. 우주에 숨겨져 있는 미스터리에 대한 해결책은 무엇인가요?
