제임스 웹 망원경으로 초기 우주의 블랙홀 해독

우주 초기의 두 퀘이사에 대한 제임스 웹 우주 망원경의 최근 관측은 블랙홀과 은하 사이의 초기 관계에 대한 중요한 통찰력을 보여주며, 이는 더 최근의 우주에서 볼 수 있는 질량 비율을 반영합니다.

제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 촬영한 새로운 이미지는 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않아 활발하게 성장하는 블랙홀(퀘이사)을 수용하는 두 개의 거대한 은하에서 나오는 별빛을 처음으로 밝혀냈습니다. 블랙홀의 질량은 태양 질량의 약 10억 배이며, 블랙홀이 속한 은하의 질량은 약 100배 더 크며, 이는 젊은 우주에서 발견되는 것과 비슷한 비율입니다. 최근 2016년 연구에 따르면 스바루 망원경의 광시야 조사와 제임스 웹 우주 탐사선의 강력한 결합이 먼 우주를 연구하는 새로운 길을 열었습니다. 자연.

거대 블랙홀의 관측은 최근 몇 년 동안 천문학자들의 관심을 끌었습니다. EHT(Event Horizon Telescope)는 은하 중심에 있는 블랙홀의 “그림자”를 이미징하기 시작했습니다. 2020년 노벨 물리학상은 은하 중심의 항성 운동을 관찰한 공로로 수여되었습니다. 은하수. 그러한 거대 블랙홀의 존재는 잘 알려져 있지만, 그 기원은 아무도 모릅니다.

천문학자들은 우주 탄생 초기 10억 년 동안 질량이 태양질량 10억 배에 달하는 블랙홀이 존재했다고 보고했는데, 우주가 그렇게 젊었을 때 어떻게 이 블랙홀이 그렇게 커질 수 있었을까요? 더욱 당혹스러운 점은 지역 우주의 관측 결과가 초대질량 블랙홀의 질량과 그들이 존재하는 더 무거운 은하 사이의 명확한 관계를 보여준다는 것입니다. 은하와 블랙홀은 크기가 완전히 다르므로 블랙홀 또는 은하 중 어느 것이 먼저 나온 것입니까? 이것은 우주적 차원에서 볼 때 “닭이냐 달걀이냐”의 문제입니다.

HSC J2236+0032의 3.6μm JWST NIRCam 이미지. 썸네일 이미지, 퀘이사 이미지, 퀘이사 빛을 뺀 모은하의 이미지(왼쪽부터). 이미지 규모는 각 패널에 광년 단위로 표시됩니다. 출처: Ding, Ono, Silverman et al.

국제 연구팀은 북경대학교 카블리 천문 및 천체물리학 연구소(KIAA)의 Kavli 천체물리학 펠로우인 마사푸사 오노(Masafusa Ono)와 카블리 우주 물리학 및 수학 연구소(Kavli IPMU)의 연구원인 슈헨 딩(Shuheng Ding)이 이끌고 있습니다. ). ), IPMU의 Kavli 교수인 John Silverman은 다음을 사용하여 이 질문에 답하기 시작했습니다. 제임스 웹 우주 망원경 (JWST)는 국제 협력을 통해 개발된 6.5미터 크기의 우주 망원경입니다. NASA, 유럽 ​​우주국 (ESA), 캐나다 우주국(CSA)과 협력하여 2021년 12월에 발사되었습니다.

퀘이사는 빛이 나지만 모은하는 은하가 희미하기 때문에 연구자들은 특히 장거리에서 퀘이사의 빛에서 희미한 은하광을 감지하기가 어렵습니다. “적색편이 6에서 퀘이사의 모은하를 찾는 것은 마치 안개가 낀 안경을 쓰고 화려한 불꽃놀이에서 반딧불이를 찾으려는 것과 같습니다. 모은하는 믿을 수 없을 정도로 희미하고 이미지 해상도는 매우 제한적입니다. 허블 우주 망원경Xuheng Ding은 “숨겨진 아름다움을 드러내는 것이 정말 어려운 일입니다.”라고 말합니다.

NASA의 제임스 웹 우주 망원경에 대한 예술가의 개념. 이미지 출처: NASA, ESA, Northrop Grumman

연구팀은 우주의 나이가 약 8억 6천만년이었을 때 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope), HSC J2236+0032 및 HSC J2255+0251을 사용하여 6.40과 6.34의 적색편이에서 두 개의 퀘이사를 관찰했습니다. 이 두 퀘이사는 원래 8.2m 스바루 망원경의 대규모 조사를 통해 발견되었으며, 연구팀은 지금까지 160개 이상의 퀘이사를 식별했습니다. 상대적으로 낮은 광도를 지닌 이 퀘이사는 모은하의 특성을 측정하는 주요 표적이 되며, 이 퀘이사의 성공적인 발견은 지금까지 퀘이사에서 별빛이 감지된 최초의 시대를 의미합니다.

JWST의 NIRCam 장비를 사용하여 3.56 및 1.50 마이크론의 적외선 파장을 갖는 퀘이사의 이미지를 포착했으며, 블랙홀의 강착에서 나오는 빛을 신중하게 모델링하고 뺀 후에 호스트 은하가 ​​분명해졌습니다. 호스트 은하의 별 특징은 J2236+0032의 JWST NIRSpec이 포착한 스펙트럼에서도 보여 호스트 은하의 발견을 뒷받침합니다. “저는 일본 국립 천문대에서 박사 과정을 밟은 이후 스바루의 고적색편이 퀘이사 조사에 깊이 관여해 왔습니다. 스바루와 함께 발견한 HSC 퀘이사에서 별빛을 성공적으로 탐지한 것을 매우 자랑스럽게 생각합니다”라고 오노에 마사후사는 말합니다.

Kavli IPMU 프로젝트 연구원 Xuheng Ding, John Silverman 교수, Kavli 천문학 및 천체 물리학 연구소(PKU-KIAA) Kavli 천체 물리학 펠로우 Masafusa Onoue(왼쪽부터). 크레딧: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

관찰을 통해 팀은 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 블랙홀 호스트 은하의 질량은 젊은 우주에서 볼 수 있는 것과 유사합니다. 결과는 블랙홀과 그 숙주 사이의 관계가 폭발 후 처음 10억년 동안 이미 존재했음을 시사합니다. 엄청난 폭발. 연구팀은 우주 시간에 걸쳐 블랙홀과 그 모은하의 공진화 성장 역사를 제한하려는 목표를 가지고 더 큰 규모의 먼 퀘이사 샘플을 사용하여 이 연구를 계속할 것입니다. 이러한 관측은 블랙홀과 그 모은하의 공진화 모델을 제한할 것입니다.

초기 우주에서 퀘이사 호스트 은하를 발견한 연구원에서 이 발견에 대해 자세히 알아보세요.

참고 자료: Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. 실버맨, 마츠오카 요시키, 이즈미 타쿠마, 마이클 A. 슈트라우스, 크누드 얀케, 캠린 L. 필립스, 리 준야오, 마르타 볼룬티에리, 졸탄 헤이만, 어햄 타우픽 안디카, 아오키 켄타로, 바바 순스케, 레베카 페리, 사라 E. 보스만, 코너 보트렐, 안나-크리스티나 엘러스, 후지모토 세이지, 멜라니 하포셋, 이마니시 마사토시, 이나요시 코헤이, 카즈시 이와사와, 키시카와 노부나리, 토시히로. 카와구치, 코노 코타로, 리신슈, 알레산드로 루피, 리우 지안웨이, 나가오 토루, 로데릭 오버저, 얀 퇴르크 쉰들러, 말테 슈람, 시마사코 카즈히로, 토바 요시키, 베니 트라흐텐브로, 막심 트레비치, 토마소 트리우, 우메하타 히데키, 브람 B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang 및 Jenny Yang, 2023년 6월 28일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-023-06345-5