짙은 우주 먼지를 뚫고 ‘푸른빛’을 내뿜는 은하가 포착됐다. 먼지 속 천체는 보통 붉게 보이지만 이번 은하는 달랐다. 자외선이 넘쳐나는 푸른빛 속엔 태양 질량의 140억 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 숨어 있었다. 110억 년 전 우주가 가장 뜨겁게 요동치던 ‘정오(Cosmic Noon)’의 한복판에서 폭발적으로 성장하던 괴물 은하의 흔적이다.
한국천문연구원(천문연)이 참여한 국제 공동 연구팀이 먼지 속에서도 강한 푸른빛을 내는 초대질량 블랙홀을 품은 은하를 발견했다고 13일 밝혔다.
연구팀은 천문연의 ‘외계행성탐색시스템(KMTNet)’으로 포착한 특이 천체를 칠레의 ‘제미니 남반구 망원경(GEMINI-South)’으로 정밀 관측했다. 빛을 파장별로 나눠 분석하는 ‘분광 관측’을 통해 은하의 성질을 확인했다. 연구 결과는 미국 ‘천체물리학회지(Astrophysical Journal)’ 10일자에 실렸다.
발견된 은하의 질량은 태양의 약 2조 배에 달한다. 중심에는 태양 질량의 약 140억 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 자리했다. 폭발적인 별 탄생으로 밝기는 태양의 약 80조 배에 이른다. 연구팀은 이 천체를 ‘블루독(BlueDOG, Blue-excess Dust-Obscured Galaxy)’이라 이름 붙였다.
연구팀은 블루독이 제임스웹우주망원경이 발견한 ‘작은 붉은 점(Little Red Dots, LRDs)’과 닮았다고 밝혔다. 작은 붉은 점은 약 130억 년 전 초기 우주에서 발견된 작고 붉은 은하다. 별이 빠르게 태어나고 블랙홀이 동시에 성장한다. 블루독 역시 비슷한 특징을 보여 은하와 블랙홀이 함께 진화하는 과정을 보여주는 단서로 꼽힌다.
연구팀은 블루독이 왜 푸른빛을 내는지 원인을 분석했다. 첫 번째 가능성은 중심 블랙홀의 빛이 은하 내부의 가스와 먼지에 부딪혀 산란된 경우다. 두 번째는 은하 안에서 최근 폭발적인 별 탄생이 일어나 자외선이 초과로 관측된 경우다.
연구팀은 두 가지 모두 일부 역할을 했을 가능성이 크다고 판단했다. 산란광이나 별 생성만으로는 이번 현상을 완전히 설명하기 어렵기 때문이다.
이번 발견은 은하와 블랙홀이 어떻게 동시에 질량을 키워가는지, 초고광도 은하가 형성되는 과정에서 왜 이례적인 푸른빛이 나타나는지를 이해하는 데 단서를 제공한다.
연구팀은 앞으로 우주망원경과 지상 거대 망원경을 활용해 폭발적 별 탄생의 흔적을 추적하고, 푸른빛 초과 현상의 정체를 규명할 계획이다.
이번 논문의 제1저자 김성재 한국천문연·UST 학생연구원은 “먼지에 가려져 있음에도 푸른빛을 내는 은하가 제임스웹 우주망원경이 발견한 수수께끼 은하와 놀라울 만큼 닮아 있어 정말 기뻤다”고 말했다.
연구를 이끈 정웅섭 천문연 책임연구원은 “초기 은하들의 진화과정을 추적하는 과정에서 초대질량 블랙홀의 활동과 별 탄생이 동시에 일어나는 현상을 포착했다”며 “제임스웹이 발견한 초기 은하들의 진화 과정을 해석하는 데 단서가 될 것”이라고 밝혔다.
박장현 천문연 원장은 “이번 성과는 외계행성탐색시스템과 천문연이 국제협력으로 운영하는 제미니 망원경이 협업해 이룬 결과”라며 “앞으로도 전 세계와의 협력을 바탕으로 더 다양하고 깊이 있는 연구 성과를 도출할 수 있도록 힘쓰겠다”고 전했다.
<참고자료>
-doi.org/10.3847/1538-4357/adff59
