"빅뱅 이후 우주는 어떻게 탄생했나"...블랙홀 천체 '퀘이사' 발견

국내 연구진이 128억 년 전의 거대질량 블랙홀 천체인 '퀘이사'를 발견했다. 우주 빅뱅 이후 약 10억년 동안 초기 우주형성의 원리를 밝힐 원인 천체가 무엇인지 규명하는데 중요 역할을 할 것으로 보인다.

한국천문연구원은 서울대학교 임명신 교수가 이끄는 초기우주천체연구단 연구원 15명과 한국천문연구원 김민진 박사를 비롯한 2명의 연구진이 퀘이사라는 블랙홀 천체를 발견했다고 9일 밝혔다.

거대 질량의 블랙홀 주위에 물질이 유입되면 강착 원반이 생기는데, 여기서 나오는 강한 빛으로 인해 초거대 블랙홀의 존재를 알 수 있게 되며, 이러한 천체를 퀘이사라 부른다. 이 연구에는 천문연 파트너로 참여하고 있는 세계 최대 규모의 천문대 제미니 8m 망원경이 핵심적인 역할을 했다.

우주는 빅뱅 이후 수 억 년이 지난 후 최초의 천체들이 탄생하면서 서서히 밝아진 것으로 알려지고 있다. 하지만, 그 시기에 빛의 주 원천이 되는 천체가 무엇인지에 대해서는 아직 논의가 진행 중이다.

한국 연구진이 관측한 퀘이사의 이미지. 우리로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 매우 붉게 보인다.

그 후보 중 하나는 퀘이사이다. 퀘이사는 은하 중심에 위치한 초거대질량 블랙홀 주변으로 별과 가스가 떨어질 때 나오는 마찰열에 의해 은하보다 몇 배에서 수백 배나 밝게 빛나는 천체이며, 초기 우주의 빛의 주원천이 되는 천체로 평가되고 있었다.

이같은 사실을 알아내기 위해서는 초기우주에 퀘이사가 얼마나 많이 존재했는지 알아야 한다. 특히 퀘이사 빛의 대부분을 차지하는 것으로 추정되는 ‘보통 밝기 퀘이사(은하보다 10배 정도 더 밝은 퀘이사)’들의 수를 알아내는 것이 중요하다. 하지만, 초기우주의 신비를 밝힐 ‘보통 밝기의 퀘이사’는 매우 멀리 있어 어둡고 드물기 때문에 발견하기가 매우 어려웠다.

연구팀은 2010년부터 광시야 적외선 관측이 가능한 UKIRT 4m망원경을 비롯해 미국 맥도널드 천문대 2.1m망원경, 하와이 CFHT 3.6m 망원경 등을 사용해 초기우주 퀘이사 후보를 찾기 위한 탐사관측을 꾸준히 실시해왔다. Infrared Medium-deep Survey (IMS)라 명명된 이 탐사관측을 통해 퀘이사 후보 천체를 선별했지만 그것이 실제로 퀘이사인지, 그러고 얼마나 멀리 떨어진 곳에 있는 천체인지 알아내기 위해서는 세계 최대급 망원경을 사용한 관측이 필수적이었다.

천문연측은 “때마침 올해부터 세계 최대급 구경 8미터 망원경 두 대를 보유한 제미니 천문대와 협력관계를 맺고 제미니 천문대의 관측시설을 한국천문학계에 제공하게 됐다”며 “연구진은 이 기회를 이용해, 세계에서는 3번째, 한국에서는 최초로 초기 우주의 '보통 밝기 퀘이사'를 찾는 쾌거를 이룰 수 있었다”고 설명했다.

연구진은 이번에 발견된 퀘이사를 IMS J220417.92+011144.8(약자: IMS J2204+0111)이라 명명했다. 이 퀘이사의 중심부에는 태양 질량의 약 십만에서 백만 배 가량 되는 거대질량의 블랙홀이 있는 것으로 추정된다.

특히 이 IMS J2204+0111 퀘이사와 다른 퀘이사 후보 천체들로부터 우주 초기 보통밝기 퀘이사의 수밀도를 추정한 결과, 우주 초기의 빛 중에서 퀘이사가 차지하는 비율이 10% 미만으로 그다지 많지 않음을 밝혀냈다.

우주공간의 물질들은 우주의 나이 약 10억년 가량, 즉 IMS J2204+0111이 있었던 시절에 이온화가 된 것으로 알려져 있는데, 이를 우주의 재이온화라고 한다. 우주 초기 은하 구조 형성을 이해하는 데 우주를 이온화하는 과정이 매우 중요한데, 이번 발견은 퀘이사에서 나오는 빛이 우주의 재이온화에 그다지 큰 역할을 하지 않았음을 보여주면서 초기 우주 천체형성과정에 대한 중요한 단서를 제공했다.