우주에서 블랙홀은 어떻게 형성되는가?

(댄 트리) - 블랙홀은 태양보다 수백만 배에서 수십억 배 더 큰 질량을 가진 거대 물질입니다. 빛조차 빠져나올 수 없을 만큼 강력한 중력을 생성합니다.

초대질량 블랙홀 시뮬레이션(일러스트레이션: Adobe).

대부분의 은하 중심에는 우주의 거인, 초거대 블랙홀이 숨어 있습니다. 태양보다 수백만 배에서 수십억 배 더 큰 질량을 가진 이 신비로운 천체는 빛조차 빠져나올 수 없을 만큼 강력한 중력을 행사합니다.

블랙홀은 매우 거대해서 주변 은하의 형태를 형성합니다. 별의 형성, 은하의 진화, 심지어 전체 성단의 움직임에도 영향을 미칩니다.

우리 은하도 예외는 아닙니다. 은하 중심에는 궁수자리 A*라는 초대질량 블랙홀이 있는데, 그 무게는 태양 질량의 400만 배에 달합니다. 이 블랙홀들은 은하의 존재에 필수적인 요소이지만, 우리는 아직 어떻게 형성되는지 확실히 알지 못합니다.

그러나 버지니아 대학의 이론 천체물리학자 조나단 탠이 주도한 Pop III.1 모델에 대한 새로운 연구는 이 난제에 새로운 관점으로 접근합니다.

탄 교수는 수십 년간의 연구를 바탕으로 이 거대한 우주 천체가 어떻게 형성되었는지 설명할 수 있는 새로운 이론의 기초를 마련했습니다.

그와 그의 동료들의 연구에 따르면, 원시별이라고도 불리는 첫 번째 세대 별의 붕괴로 인해 초대질량 블랙홀이 형성되었을 가능성이 있습니다.

팝 모델 III.1

원시 수소와 헬륨으로 형성된 별을 팝 III 별이라고 합니다.(그림: 우주)

은하와 행성이 나타나기 훨씬 전, 초기 우주에서 첫 번째 세대의 별들이 탄생했습니다. 원시 수소와 헬륨으로 형성된 이 별들은 천체물리학자들에게 '3세대 별'로 명명되었습니다.

조너선 탠 교수가 개발한 Pop III.1 모델은 무거운 원소의 영향을 받지 않는 환경에서 형성된 별들을 설명합니다. 냉각 과정을 조절하는 탄소, 산소, 또는 중금속이 없었다면, 이 초기 별들은 매우 높은 질량에 도달했을 것입니다.

우리 태양보다 수백 배나 무거운 별을 상상해 보세요. 엄청난 크기 때문에 수명이 짧고, 빠르게 붕괴되어 최초의 블랙홀을 형성합니다.

이 원시 블랙홀, 즉 3세대 별의 잔해는 거대 블랙홀 성장의 씨앗 역할을 합니다. 결국 이 블랙홀은 더욱 커져 현재 은하 중심에서 관측되는 초대질량 블랙홀이 됩니다. 과학자들은 심지어 태양보다 360억 배나 무거운 초대질량 블랙홀을 발견하기도 했습니다.

3.1형 별 또한 초기 우주 형성에 중요한 역할을 했습니다. 별들의 강력한 복사선은 주변의 수소 가스를 이온화시켜 우주의 재이온화를 촉발했습니다.

이는 우주의 구조와 에너지 균형이 변화하는 중요한 순간이었습니다. 그 결과 천문학계에서는 "섬광"이라고 알려진 갑작스러운 우주적 조명이 나타났습니다.

Pop III.1 별의 이중적 영향으로 인해 우주 구조의 시작을 이해하는 데 중요합니다.

도전과 대안

Pop III.1 모델은 여전히 ​​과학적으로 인정된 이론으로 간주됩니다(그림: 우주).

Pop III.1 이론은 초대질량 블랙홀의 형성을 설명하는 것 외에도 우주론에서 풀리지 않은 주요 문제 몇 가지를 해결합니다.

이러한 문제에는 "허블 장력", 역동적인 암흑 에너지 논쟁, 그리고 중성미자 질량과 관련된 이상 현상 등이 포함됩니다.

탠 교수의 모델은 최초의 별과 블랙홀 잔해를 우주의 대규모 진화와 연결함으로써 많은 미스터리를 푸는 데 도움이 될 수 있는 독특한 관점을 제공합니다.

하지만 Pop III.1 시나리오가 유일한 가설은 아닙니다. 다른 이론들은 원시 블랙홀이 빅뱅 직후 몇 초 동안의 밀도 변동을 통해 직접 형성되었다고 주장합니다.

이 블랙홀들은 초대질량 블랙홀의 씨앗일 수 있습니다. 또 다른 접근법은 별을 형성하지 않는 거대 가스 구름의 직접적인 붕괴를 지적합니다.

각 이론은 서로 다른 메커니즘을 제안하는데, 이는 모두 우주의 신비를 설명하는 것을 목표로 합니다.

Pop III.1 모델의 초기 우주 이온화 예측 또한 의문시되고 있다. 우주 마이크로파 배경 복사, 특히 수냐예프-젤도비치 효과의 역학적 제약은 재이온화의 양과 시기를 정확히 예측하기 어려울 수 있음을 시사한다.

그럼에도 불구하고, Pop III.1 모델은 여전히 ​​설득력 있는 이론으로 여겨지고 있으며, 우주의 최초 구조 중 하나가 어떻게 형성되었는지에 대한 논쟁을 계속 불러일으키고 있습니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/ho-den-trong-vu-tru-hinh-thanh-nhu-the-nao-20250923030226135.htm