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직접 폭발 블랙홀의 신비한 탄생: 왜 이 초대형 블랙홀이 천문학자들에게 충격을 주는가?
우주의 초기 역사에서 과학자들은 몇 가지 특별한 물체를 발견했습니다. 이러한 물체가 탄생하는 방식은 우주 물질 진화의 주요 범주인 직접 폭발 블랙홀(DCBH)을 나타냅니다. 이 신비한 블랙홀은 약 1억~2억 5천만년 전, 즉 적색편이 z라고 알려진 기간이 약 15~30년 전에 생성되었습니다.
직접 폭발 블랙홀의 형성 과정은 기존 이론의 블랙홀과 다릅니다. 이러한 블랙홀은 별의 죽음으로 인해 진화하는 것이 아니라 직접적인 중력 붕괴를 통해 형성됩니다.
직접 폭발 블랙홀이 형성되려면 특정한 환경 조건이 필요합니다. 주요 조건에는 금속 함량이 0인 가스(수소와 헬륨만 포함), 수소 원자를 자극할 만큼 높은 라이만-베르너 광자 조사, 수소 분자를 파괴할 수 있는 레이저 스트림이 포함됩니다. 이러한 조건은 가스가 냉각되고 파편화되는 것을 방지하여 가스 구름이 중력 붕괴를 그대로 겪고 극도로 높은 물질 밀도에 도달할 수 있도록 합니다.
물질 밀도가 약 107g/cm3에 도달하면 이러한 가스 구름은 일반적인 상대론적 불안정성을 겪게 되어 직접 폭발하는 블랙홀로 변합니다. 이것은 그들이 별의 조상이 아닌 원시 가스 구름에서 직접 태어났다는 것을 의미합니다.
2022년 7월에 보고된 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 연구자들은 드물게 강하고 차가운 강착 흐름이 자외선 복사와 초음속 흐름 없이 거대한 블랙홀을 생성할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 시뮬레이션은 약 4천만 태양질량까지 성장한 환경에서 결국 여러 개의 초거성이 형성되어 직접폭발 블랙홀로 성공적으로 변형되었음을 보여줍니다.
직접 블랙홀 폭발의 희소성
직접 폭발하는 블랙홀은 적색편이가 높은 우주에서 극히 희귀한 물체로 간주됩니다. 현재 우주론적 시뮬레이션에 따르면 적색편이 15에 있는 블랙홀의 수는 입방기가파섹당 약 1개에 불과할 수 있습니다. 이 예측은 Lyman-Werner 광자 최소 플럭스의 영향을 크게 받으며, 가장 낙관적인 시나리오 중 일부에서는 DCBH의 밀도가 입방 기가초당 107개 셀만큼 높을 수 있습니다.
직접폭발 블랙홀의 발견
2016년 하버드 대학 천체물리학자 파비오 파쿠치가 이끄는 연구팀은 허블 우주 망원경과 찬드라 X선 관측소의 데이터를 사용하여 처음으로 블랙홀의 직접 폭발 후보 두 개를 식별했습니다. 이들 후보는 모두 z>6의 적색편이 영역에 위치하고 있으며 CANDELS GOODS-S 필드의 스펙트럼 특성은 예측과 일치합니다.
이 직접 폭발하는 블랙홀은 다른 높은 적색편이 광원보다 더 많은 적외선 복사를 생성할 것으로 예상되며, 특히 제임스 웹 우주 망원경을 사용한 추가 관찰은 이러한 광원의 특성을 확인하는 데 중요합니다.
다른 블랙홀과의 차이점
에너지와 전하 물질의 직접적인 붕괴와 관련된 원시 블랙홀의 형성 과정과 달리, 직접 폭발 블랙홀의 형성은 비정상적으로 밀도가 높고 큰 가스 영역의 붕괴로 인해 발생합니다. 3세대 별(즉, 인구 III 별)에 의해 형성된 블랙홀은 직접 폭발 블랙홀의 범주에 속하지 않는다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
요약
직폭 블랙홀의 발견은 블랙홀 형성에 대한 우리의 이해를 넓힐 뿐만 아니라 초기 우주에 존재할 수 있는 복잡한 현상을 밝혀줍니다. 이 신비한 물체는 우주의 진화에 대한 우리의 근본적인 이해를 재정의하고 있습니다. 기술이 발전하면 앞으로 블랙홀의 비밀을 더 많이 밝혀낼 수 있을까요?
