JWST, 초기 우주 전역에서 거대 블랙홀 발견 | 콴타 매거진

그녀가 확신하기 몇 년 전 제임스 웹 우주 망원경 성공적으로 출시될 것이며, 크리스티나 에일러스 초기 우주를 전문으로 하는 천문학자들을 위한 회의를 계획하기 시작했습니다. 그녀는 만약 JWST가 관측을 시작한다면 그녀와 그녀의 동료들은 할 말이 많다는 것을 알고 있었습니다. 타임머신처럼 망원경은 이전의 어떤 장비보다 훨씬 더 멀리 과거를 볼 수 있었습니다.

Eilers(및 나머지 천문학 커뮤니티)에게 다행스럽게도 그녀의 계획은 헛되지 않았습니다. JWST는 문제 없이 시작되고 배치된 다음 백만 마일 떨어진 우주에 있는 자리에서 본격적으로 초기 우주를 면밀히 조사하기 시작했습니다.

150월 중순, 약 XNUMX명의 천문학자들이 Eilers의 JWST "First Light" 컨퍼런스를 위해 Massachusetts Institute of Technology에 모였습니다. JWST 이후 XNUMX년이 지나지 않았습니다. 이미지 전송 시작 다시 지구로. 그리고 Eilers가 예상한 것처럼 망원경은 이미 우주의 첫 XNUMX억년에 대한 천문학자들의 이해를 재구성하고 있었습니다.

무수한 프레젠테이션에서 한 세트의 수수께끼 같은 물건이 눈에 띄었습니다. 일부 천문학자들은 그들을 "숨겨진 작은 괴물"이라고 불렀습니다. 다른 사람들에게는 "작은 빨간 점"이었습니다. 그러나 그 이름이 무엇이든 데이터는 분명했습니다. JWST가 어린 은하(어둠 속에서 붉은 반점으로만 보이는)를 응시할 때 중심에서 소용돌이치는 사이클론이 있는 놀라운 숫자를 봅니다.

MIT의 천문학자인 Eilers는 "우리가 전혀 알지 못했던 소스의 풍부한 인구가 있는 것 같습니다."라고 말했습니다. "우리는 전혀 찾을 것으로 예상하지 못했습니다."

최근 몇 달 동안, 우주 스머지에 대한 엄청난 관측이 천문학자들을 기쁘게 하고 당혹스럽게 만들었습니다.

"모두가 이 작은 빨간 점들에 대해 이야기하고 있습니다."라고 말했습니다. 샤오후이 판, 초기 우주에서 먼 물체를 찾는 데 경력을 쌓은 애리조나 대학의 연구원.

토네이도 심장 은하에 대한 가장 직접적인 설명은 수백만 태양의 무게를 지닌 거대한 블랙홀이 가스 구름을 광란으로 휘젓고 있다는 것입니다. 그 발견은 예상되는 동시에 당혹스럽습니다. JWST는 부분적으로 고대 물체를 찾기 위해 구축되었기 때문에 예상됩니다. 그들은 설명할 수 없을 정도로 일찍 우주 기록에 나타나는 것으로 보이는 수십억 개의 태양을 가진 거대한 블랙홀의 조상입니다. 올해 발견된 기록적인 세 명의 젊은이와 같은 이러한 선구자 블랙홀을 연구함으로써 과학자들은 최초의 거대한 블랙홀이 어디에서 왔는지 배우고 아마도 두 개의 경쟁 이론 중 어느 것이 블랙홀의 형성을 더 잘 설명하는지 확인하기를 희망합니다. 그들은 단순히 크게 태어났습니까? 그러나 JWST가 젊고 굶주린 블랙홀을 그렇게 많이 발견할 것으로 예상한 천문학자가 거의 없었기 때문에 관찰 결과는 당혹스럽습니다. 이전의 수수께끼를 풀려고 시도하는 과정에서 천문학자들은 별, 은하 등에 대한 기존 이론을 다시 쓸 수 있는 부피가 큰 블랙홀 무리를 발견했습니다.

"이론가로서 나는 우주를 만들어야 한다"고 말했다. 마르타 볼론테리, 파리 천체 물리학 연구소의 블랙홀 전문 천체 물리학 자. Volonteri와 그녀의 동료들은 이제 초기 우주에서 거대한 블랙홀의 유입과 싸우고 있습니다. "그들이 [진짜]라면, 그들은 그림을 완전히 바꿉니다."

우주 타임머신

JWST 관측은 망원경이 이전의 어떤 기계보다 더 깊은 우주에서 지구에 도달하는 빛을 감지할 수 있기 때문에 부분적으로 천문학을 뒤흔들고 있습니다.

"우리는 20년에 걸쳐 터무니없이 강력한 망원경을 만들었습니다."라고 말했습니다. 그랜트 트렘블레이, Harvard-Smithsonian 천체 물리학 센터의 천체 물리학 자. "그것의 요점은 원래 우주 시간을 깊이 들여다보는 것이었습니다."

임무의 목표 중 하나는 우주의 첫 13.8억년(대략 XNUMX억년의 역사 중) 동안 형성되는 과정에서 은하를 포착하는 것입니다. 지난 여름 망원경의 초기 관측 젊은 우주를 암시 놀랍도록 성숙한 은하들로 가득 차 있지만 천문학자들이 그러한 이미지에서 짜낼 수 있는 정보는 제한적이었습니다. 초기 우주를 진정으로 이해하기 위해 천문학자들은 단순한 이미지 이상이 필요했습니다. 그들은 그 은하계의 스펙트럼, 즉 망원경이 들어오는 빛을 특정 색상으로 나눌 때 들어오는 데이터에 굶주려 있었습니다.

JWST가 지난해 말 본격적으로 되돌려 보내기 시작한 은하계 스펙트럼은 두 가지 이유로 유용하다.

첫째, 그들은 천문학자들이 은하의 나이를 결정하도록 했습니다. JWST가 수집하는 적외선은 붉게 변하거나 적색 편이됩니다. 즉, 우주를 횡단할 때 공간 확장에 따라 파장이 늘어납니다. 그 적색편이의 범위는 천문학자들이 은하의 거리를 결정할 수 있게 해주며, 따라서 그것이 원래 빛을 방출한 시기를 결정합니다. 가까운 은하들은 적색편이가 거의 5에 가깝습니다. JWST는 빅뱅 후 대략 1억 년에 해당하는 적색 편이 XNUMX 이상의 물체를 쉽게 식별할 수 있습니다. 적색 편이가 더 높은 물체는 훨씬 오래되고 멀리 떨어져 있습니다.

둘째, 스펙트럼은 천문학자들에게 은하계에서 일어나는 일에 대한 감각을 제공합니다. 각 색조는 광자와 특정 원자(또는 분자) 사이의 상호 작용을 표시합니다. 한 가지 색상은 수소 원자가 충돌 후 안정될 때 번쩍이는 수소 원자에서 유래합니다. 다른 하나는 밀집된 산소 원자를 나타내고 다른 하나는 질소를 나타냅니다. 스펙트럼은 은하가 무엇으로 구성되어 있고 그 요소가 무엇을 하는지를 나타내는 색상 패턴이며 JWST는 전례 없는 거리에 있는 은하에 대한 중요한 컨텍스트를 제공합니다.

"우리는 엄청난 도약을 이루었습니다."라고 말했습니다. 아유쉬 삭세나, 옥스퍼드 대학의 천문학자. "우리가 적색편이 9 은하의 화학적 조성에 대해 이야기하고 있다는 사실은 정말 놀랍습니다."

(레드시프트 9는 상상할 수 없을 정도로 멀고, 우주의 나이가 불과 0.55억 XNUMX천만 년에 해당하는 시기에 해당한다.)

은하계 스펙트럼은 또한 원자의 주요 교란 요인인 은하계의 중심에 숨어 있는 거대한 블랙홀을 찾는 데 완벽한 도구입니다. 블랙홀 자체는 어둡지 만 가스와 먼지를 먹을 때 원자를 찢어내어 숨길 수없는 색상으로 만듭니다. JWST가 출시되기 오래 전에 천체물리학자들은 망원경이 그러한 패턴을 발견하고 초기 우주에서 가장 크고 가장 활동적인 블랙홀을 충분히 찾아 블랙홀이 어떻게 형성되었는지에 대한 미스터리를 풀 수 있기를 바랐습니다.

너무 크고 너무 이르다

수수께끼는 20여 년 전에 Fan이 이끄는 팀이 다음 중 하나를 발견했을 때 시작되었습니다. 가장 먼 은하 눈부신 퀘이사, 또는 아마도 수십억 개의 태양 무게가 나가는 활동적인 초대질량 블랙홀에 고정된 은하입니다. 그것은 빅뱅 이후 약 5억 년에 해당하는 1.1의 적색편이를 가졌습니다. 하늘을 더 휩쓸면서 판과 그의 동료들은 계속해서 자신들의 기록을 깨고 퀘이사 적색편이 프론티어를 6의 2001 그리고 결국 7.6의 2021 — 빅뱅 이후 0.7억년 후.

문제는 우주 역사 초기에 그러한 거대한 블랙홀을 만드는 것이 불가능해 보였다는 것입니다.

다른 물체와 마찬가지로 블랙홀도 성장하고 형성되는 데 시간이 걸립니다. 그리고 6피트 키의 유아처럼 Fan의 초대형 블랙홀은 나이에 비해 너무 컸습니다. 지나치게 자란 유아를 설명하기 위해 물리학자들은 두 가지 불쾌한 옵션을 고려하지 않을 수 없었습니다.

첫 번째는 판의 은하는 초신성이 종종 남기는 종류의 대략적인 항성질량 블랙홀로 가득 차기 시작했다는 것입니다. 그런 다음 그것들은 합쳐지고 주변 가스와 먼지를 삼키면서 성장했습니다. 일반적으로 블랙홀이 충분히 공격적으로 잔치를 벌이면 방사능이 쏟아져 블랙홀을 밀어냅니다. 그것은 급식 열풍을 멈추고 과학자들이 Eddington 한계라고 부르는 블랙홀 성장 속도 제한을 설정합니다. 그러나 그것은 부드러운 천장입니다. 끊임없는 먼지의 급류는 상상할 수 있는 방사능 유출을 극복할 수 있습니다. 그러나 팬의 야수를 설명할 수 있을 만큼 오랫동안 이러한 "슈퍼 에딩턴" 성장을 지속하는 것은 상상하기 어렵습니다.

아니면 블랙홀이 엄청나게 크게 태어날 수도 있습니다. 초기 우주의 가스 구름은 수천 개의 태양 무게를 지닌 블랙홀로 직접 붕괴되어 무거운 씨앗이라는 물체를 생성했을 수 있습니다. 이 시나리오 역시 받아들이기 힘든데, 그처럼 크고 울퉁불퉁한 가스 구름이 블랙홀을 형성하기 전에 별들로 갈라져야 하기 때문입니다.

JWST의 우선 순위 중 하나는 과거를 들여다보고 팬 은하의 희미한 조상을 포착하여 이 두 가지 시나리오를 평가하는 것입니다. 이 전구체는 퀘이사가 아니라 다소 작은 블랙홀이 퀘이사가 되는 과정에 있는 은하입니다. JWST를 통해 과학자들은 겨우 성장하기 시작한 블랙홀을 발견할 수 있는 가장 좋은 기회를 갖게 됩니다. 블랙홀은 연구자들이 출생 시 체중을 고정할 수 있을 만큼 충분히 젊고 작습니다.

이것이 Colby College의 Dale Kocevski가 이끄는 CEERS(Cosmic Evolution Early Release Science Survey)의 천문학자 그룹이 크리스마스 이후 며칠 동안 어린 블랙홀이 나타나는 징후를 처음 발견했을 때 초과 근무를 시작한 이유 중 하나입니다.

"이것이 얼마나 많은지 인상적입니다."라고 썼습니다. 제이한 카르탈테페, Rochester Institute of Technology의 천문학자, Slack에 대한 토론 중.

Kocevski는 "숨겨진 작은 괴물이 많이 있습니다."라고 대답했습니다.

점점 커지는 몬스터 무리

CEERS 스펙트럼에서 몇 개의 은하가 아기 블랙홀을 숨길 가능성이 있는 작은 괴물로 즉시 튀어나왔습니다. 그들의 더 많은 바닐라 형제들과는 달리, 이 은하들은 수소를 위한 단 하나의 선명한 음영으로 도착하지 않는 빛을 방출했습니다. 대신, 수소 라인은 다양한 색상으로 얼룩지거나 넓어졌습니다. 이는 궤도를 도는 가스 구름이 JWST를 향해 가속됨에 따라 일부 광파가 찌그러진 것을 나타냅니다(접근하는 구급차가 사이렌의 음파가 압축될 때 상승하는 비명을 지르는 것처럼). 구름이 날아가면서 파도가 늘어났다. Kocevski와 그의 동료들은 블랙홀이 그런 식으로 수소를 던질 수 있는 유일한 물체라는 것을 알고 있었습니다.

Kocevski는 "블랙홀 주위를 도는 가스의 넓은 구성 요소를 볼 수 있는 유일한 방법은 은하의 배럴을 바로 아래로 보고 블랙홀을 바로 들여다보는 것입니다."라고 말했습니다.

185월 말까지 CEERS 팀은 그들이 "숨겨진 작은 괴물"이라고 부르는 두 가지를 설명하는 사전 인쇄물을 제작했습니다. 그런 다음 그룹은 블랙홀이 얼마나 많은지 확인하기 위해 프로그램에 의해 수집된 수백 개의 은하의 더 넓은 범위를 체계적으로 연구하기 시작했습니다. 그러나 그들은 불과 몇 주 후 도쿄 대학의 하리카네 유이치가 이끄는 다른 팀에 의해 스쿠프되었습니다. Harikane의 그룹은 가장 먼 CEERS 은하 중 XNUMX개를 검색했으며 10개 발견 넓은 수소 라인으로 — 4와 7 사이의 적색 편이에서 백만 태양 질량 중앙 블랙홀의 가능성이 있습니다. 그리고 XNUMX월에, 조리트 매티 Swiss Federal Institute of Technology Zurich는 20개 이상의 "작은 빨간 점들” 넓은 수소선: 적색편이 주위를 휘젓는 블랙홀 5. 분석 XNUMX월초에 올린 또 다른 XNUMX개가 발표되었으며, 그 중 일부는 합병을 통해 성장하는 과정에 있을 수도 있습니다.

Volonteri는 "나는 이런 것들을 오랫동안 기다려 왔습니다."라고 말했습니다. "믿을 수 없었습니다."

그러나 거대하고 활동적인 블랙홀을 가진 은하계의 순전한 수를 예상한 천문학자는 거의 없었습니다. JWST의 관측 첫 해의 아기 퀘이사는 과학자들이 예측한 것보다 더 많습니다. 성인 퀘이사의 인구 조사 — 10배에서 100배 더 풍부합니다.

작은 빨간 점 논문에 기여한 Eilers는 "우리가 한 자릿수 또는 그 이상으로 벗어났다는 것은 천문학자에게는 놀라운 일입니다."라고 말했습니다.

국립 과학 재단 NOIRLab의 천문학자이자 작은 괴물 논문의 공동 저자인 스테파니 주노(Stéphanie Juneau)는 “높은 적색편이에서 이 퀘이사는 항상 빙산의 일각에 불과하다고 느꼈습니다. "우리는 아래에서 이 [더 희미한] 인구가 일반 빙산보다 훨씬 더 크다는 것을 발견할 수 있습니다."

이 두 개는 거의 11에 간다

그러나 어린 시절의 야수를 엿볼 수 있으려면 천문학자들은 그들이 5의 적색편이를 훨씬 넘어서 우주의 첫 XNUMX억년을 더 깊이 들여다봐야 한다는 것을 알고 있습니다. 최근에 여러 팀이 전례 없는 거리에서 블랙홀 먹이를 발견했습니다.

월에, CEERS 분석 레베카 라슨오스틴에 있는 텍사스 대학의 천체물리학자인 오스틴 박사는 8.7의 적색편이(빅뱅 이후 0.57억 XNUMX천만년)의 은하에서 넓은 수소선을 발견하여 지금까지 발견된 가장 먼 활성 블랙홀에 대한 새로운 기록을 세웠습니다.

그러나 Larson의 기록은 불과 몇 달 후 JADES(JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) 협력을 통해 천문학자들이 GN-z11의 스펙트럼을 손에 넣은 후 떨어졌습니다. 적색편이 10.6에서 GN-z11은 허블 우주 망원경의 시야에서 가장 희미한 가장자리에 있었고 과학자들은 더 날카로운 눈으로 그것을 연구하기를 열망했습니다. 10월까지 JWST는 GN-z11을 관찰하는 데 XNUMX시간 이상을 보냈고 연구원들은 이 은하가 별난 은하라는 것을 바로 알 수 있었습니다. 그것의 풍부 질소 "완전히 미쳤다"고 말했다. 얀 숄츠, 케임브리지 대학의 JADES 회원. 젊은 은하에서 그렇게 많은 질소를 보는 것은 6시 방향 그림자를 가진 XNUMX살짜리 아이를 만나는 것과 같았습니다. 특히 질소를 별이 먼저 조립해야 하는 더 단순한 원자인 은하의 빈약한 산소 저장고와 비교할 때 말입니다.

JADES 협력은 16월 초에 또 다른 11개 정도의 JWST 관찰 시간으로 이어졌습니다. 추가 데이터는 스펙트럼을 날카롭게 하여 눈에 보이는 두 가지 질소 음영이 극도로 고르지 않은 것으로 나타났습니다. 하나는 밝고 다른 하나는 희미합니다. 팀은 패턴이 GN-zXNUMX이 무시무시한 중력.

"그때 우리는 블랙홀의 강착 원반을 바로 응시하고 있다는 것을 깨달았습니다."라고 Scholtz는 말했습니다. 그 우연한 정렬은 먼 은하가 애초에 허블이 볼 수 있을 만큼 충분히 밝은 이유를 설명합니다.

GN-z11과 같은 매우 젊고 굶주린 블랙홀은 천체물리학자들이 팬의 퀘이사가 어떻게 되었는지에 대한 곤경을 해결할 수 있기를 바라는 정확한 대상입니다. 그러나 반전에서, 최상급 GN-z11조차도 연구자들이 출생 질량을 결정적으로 결정할 수 있을 만큼 충분히 젊거나 작지 않다는 것이 밝혀졌습니다.

"우리는 11보다 훨씬 더 높은 적색 편이에서 블랙홀 질량을 감지하기 시작해야 합니다."라고 Scholtz는 말했습니다. "XNUMX년 전에는 이런 말을 하게 될 줄 몰랐지만 여기 있습니다."

무거움의 힌트

그때까지 천문학자들은 새로 태어난 블랙홀을 찾고 연구하기 위해 친구에게 전화를 걸거나 다른 주력 우주 망원경에 도움을 요청하는 것과 같은 더 미묘한 속임수에 의지하고 있습니다.

2022년 초 Volonteri, Tremblay 및 그들의 협력자들은 JWST의 짧은 목록에 포함될 것으로 알고 있는 은하단에서 NASA의 Chandra X-ray Observatory를 주기적으로 가리키기 시작했습니다. 클러스터는 렌즈처럼 작동합니다. 그것은 시공간 구조를 구부리고 그 뒤에 있는 더 먼 은하를 확대합니다. 팀은 그 배경 은하 중 하나가 왕성한 블랙홀의 전통적인 호출 카드인 X-선을 내뿜고 있는지 확인하기를 원했습니다.

19년 동안 찬드라는 1주 동안 우주 렌즈를 응시했는데 이는 가장 긴 관측 캠페인 중 하나였습니다. 10.1의 적색편이. 이 19개의 높은 옥탄가 광자는 빅뱅 이후 XNUMX억년 이내에 존재했던 성장하는 블랙홀에서 나왔을 가능성이 높으며 지금까지 발견된 X선 소스 중 가장 멀리 떨어져 있습니다.

JWST와 Chandra 데이터를 결합함으로써 그룹은 뭔가 이상하고 유익한 것을 배웠습니다. 대부분의 현대 은하에서 거의 모든 질량은 별에 있으며 중앙 블랙홀에는 1%도 안 됩니다. 그러나 UHZXNUMX에서 질량은 별과 블랙홀 사이에서 균등하게 분할된 것으로 보입니다. 이는 천문학자들이 슈퍼 에딩턴 강착에 대해 예상했던 패턴이 아닙니다.

좀 더 그럴듯한 설명, 팀이 제안한, UHZ1의 중앙 블랙홀은 거대한 구름이 거대한 블랙홀로 구겨지면서 별을 만들기 위한 작은 가스를 남겨두고 태어났다는 것입니다. 이러한 관찰은 "무거운 씨앗과 일치할 수 있습니다"라고 Tremblay는 말했습니다. "그냥 무너지는 거대하고 거대한 가스 덩어리를 생각하는 것은 미친 짓입니다."

블랙홀 우주입니다

지난 몇 달 동안 미친 스펙트럼 스크램블에서 얻은 특정 결과 중 일부는 연구가 동료 검토를 거치면서 바뀔 수밖에 없습니다. 그러나 젊은 우주가 다수의 거대하고 활동적인 블랙홀을 매우 빠르게 만들어냈다는 광범위한 결론은 살아남을 가능성이 높습니다. 결국 팬의 퀘이사는 어딘가에서 와야 했다.

Eilers는 "각 물체의 정확한 숫자와 세부 사항은 불확실하지만 우리가 블랙홀을 축적하는 많은 인구를 발견하고 있다는 것은 매우 설득력이 있습니다."라고 Eilers는 말했습니다. "JWST가 처음으로 이를 공개했는데 매우 흥미진진합니다."

블랙홀 전문가들에게는 수년 동안 양조되어 온 계시입니다. 에 대한 최근 연구 지저분한 사춘기 은하 현대 우주에서 젊은 은하의 활성 블랙홀이 간과되고 있음을 암시했습니다. 그리고 이론가들은 그들의 디지털 모델이 천문학자들이 실제 우주에서 본 것보다 훨씬 더 많은 블랙홀이 있는 우주를 지속적으로 생성했기 때문에 어려움을 겪었습니다.

Volonteri는 "나는 항상 내 이론이 틀렸고 관찰이 옳다고 말했으므로 내 이론을 수정해야 합니다."라고 말했습니다. 그러나 불일치가 이론의 문제를 지적하지 않았을 수도 있습니다. "아마도 이 작은 빨간 점이 설명되지 않았을 것입니다."라고 그녀는 말했습니다.

타오르는 블랙홀이 성숙한 우주에서 단순한 우주적 카메오 이상으로 밝혀지고 있는 지금, 천체물리학자들은 더 강력한 이론적 역할로 물체를 재구성하면 다른 골칫거리를 완화할 수 있을지 궁금해합니다.

JWST의 첫 이미지 중 일부를 연구한 후 일부 천문학자들은 재빨리 특정 은하계 그들의 젊음을 고려하면 엄청나게 무거워 보였습니다. 그러나 적어도 어떤 경우에는 눈부시게 밝은 블랙홀이 연구자들로 하여금 주변 별들의 무게를 과대평가하게 만들 수 있습니다.

조정이 필요할 수 있는 또 다른 이론은 은하계 시뮬레이션에서 너무 높은 경향이 있는 은하가 별을 휘젓는 속도입니다. Kocevski는 많은 은하계가 별 형성 속도를 늦추는 숨겨진 괴물 단계를 거친다고 추측합니다. 그들은 별 제작 먼지에 고치에서 시작하여 블랙홀이 별을 우주로 흩어 놓을만큼 강력 해져서 별 형성을 늦 춥니 다. "우리는 그 시나리오가 진행되는 것을 보고 있을지도 모른다"고 그는 말했다.

천문학자들이 초기 우주의 베일을 벗기면서 학문적 예감이 구체적인 답변보다 더 많습니다. JWST가 이미 천문학자들이 활성 블랙홀에 대해 생각하는 방식을 바꾸고 있기 때문에 연구원들은 올해 망원경이 공개한 우주 비네팅이 다가올 일화에 비하면 일화에 불과하다는 것을 알고 있습니다. JADES 및 CEERS와 같은 관찰 캠페인은 보름달 크기의 약 XNUMX/XNUMX 크기의 하늘 조각에서 수십 개의 블랙홀이 그들을 응시하고 있음을 발견했습니다. 더 많은 아기 블랙홀이 망원경과 천문학자들의 관심을 기다리고 있습니다.

"이러한 모든 진전은 처음 12~10개월 동안 이루어졌습니다."라고 Saxena는 말했습니다. "이제 우리는 앞으로 XNUMX년 또는 XNUMX년 동안 [JWST]를 가지고 있습니다."