JWST, 극단적인 과학자들도 설명할 수 없는 이상한 빨간 점 발견

후속 데이터를 통해 이러한 물체가 엄청나게 멀리 떨어져 있다는 것이 분명해졌습니다. 우리에게 가장 가까운 것들도 빛이 도달하는 데 120억년이 걸렸습니다. 우주를 건너는 것도 시간을 거슬러 올라가는 것이기 때문에 우리는 그 물체들이 빅뱅 이후 대략 18억년 전인 120억년 전에 나타난 모습으로 보게 됩니다.

초기 이론은 거대하고 젊은 은하를 가리킨다

이 발견은 어려운 질문을 불러일으켰습니다. 천문학적 관측을 해석하기 위해 연구자들은 다양한 유형의 물체가 어떻게 생겼는지 설명하는 모델에 의존합니다. 천문학자들은 별을 중력에 의해 결합되어 핵융합을 통해 에너지를 생성하는 거대한 플라즈마 구체로 이해하기 때문에 자신 있게 별을 식별할 수 있습니다. 그들은 또한 이미지와 스펙트럼으로 알려진 빛의 상세한 측정에서 별이 어떻게 나타나는지 알고 있습니다. 물체의 모양과 스펙트럼이 모두 일치하면 안정적으로 분류할 수 있습니다.

작은 빨간 점들은 어떤 익숙한 범주와도 일치하지 않았기 때문에 천문학자들은 좀 더 극단적인 설명을 고려하기 시작했습니다. 초기 제안 중 하나는 이 물체가 두꺼운 먼지 층으로 인해 붉은 색을 띠는 엄청난 수의 별들로 가득 찬 비정상적으로 밀도가 높은 은하라고 제안했습니다. 이 밀도를 시각화하려면 각 면이 1광년인 입방체 안에 태양계를 배치한다고 상상해 보세요. 우리 우주 지역에서 그 입방체에는 태양만 포함될 것입니다. 제안된 은하계에서는 동일한 입방체에 수십만 개의 별이 들어 있을 것입니다.

은하수에서는 중심 핵만이 별의 밀도를 거의 비교할 수 없을 만큼 갖고 있으며, 그 지역에는 여전히 작은 빨간 점 모델에 필요한 별의 약 1000분의 1만 포함되어 있습니다. 만약 이 은하들이 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않아 태양 질량에 해당하는 수천억 개의 별들을 실제로 담고 있다면, 은하가 어떻게 형성되는지에 대한 기본 이론에 도전하게 될 것입니다. 공동 저자인 Bingjie Wang(Penn State University)은 “그런 은하의 밤하늘은 눈부시게 밝을 것입니다. 만약 이 해석이 유효하다면, 이전에 한 번도 관찰된 적이 없는 특별한 과정을 통해 별이 형성되었음을 의미합니다.”라고 말했습니다.

은하인가 활동적인 은하핵인가? 과학적 격차

논쟁이 빠르게 나타났습니다. 일부 연구자들은 별이 풍부하고 먼지가 많은 은하 아이디어를 선호하는 반면, 다른 연구자들은 작은 빨간 점들이 실제로 많은 양의 먼지로 가려진 활성 은하 핵이라고 주장했습니다. 활성 은하 핵은 물질이 은하 중심 블랙홀로 나선을 그리며 극도로 뜨거운 강착 원반을 형성할 때 발생합니다. 그러나 이 해석에도 문제가 있었다. 작은 붉은 점들의 스펙트럼은 알려진 먼지로 붉어지는 활성 은하 핵과 크게 달랐습니다. 이 시나리오에서는 JWST가 감지한 작은 빨간 점의 수를 고려할 때 이러한 물체가 매우 큰 질량을 가진 초거대 블랙홀을 호스팅해야 하며 그 수가 예상보다 훨씬 많습니다.

의견 차이에도 불구하고 천문학자들은 한 가지 점에 동의했습니다. 미스터리를 풀기 위해서는 더 많은 데이터가 필요했습니다. 초기 JWST 연구 결과는 이미지를 제공했지만 물리학을 이해하려면 물체가 다양한 파장에서 방출하는 빛의 양을 나타내는 스펙트럼이 필요했습니다. 주요 망원경의 시간 경쟁이 치열하기 때문에 그러한 관측을 확보하는 것은 어렵습니다. 작은 빨간 점의 의미가 분명해지자 많은 그룹이 관찰 시간을 요청하기 시작했습니다. 성공적인 제안 중 하나는 Max Planck Institute for Astronomy의 Anna de Graaff가 이끄는 RUBIES 프로그램이었습니다. 이는 “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”의 약자입니다.

RUBIES 설문조사를 통해 극단적인 예가 밝혀졌습니다.

2024년 1월부터 12월까지 RUBIES 팀은 거의 60시간에 달하는 JWST 시간을 사용하여 4,500개의 먼 은하에 대한 스펙트럼을 수집하여 지금까지 가장 큰 JWST 분광 데이터 세트 중 하나를 생성했습니다. Raphael Hviding(MPIA)에 따르면, “그 데이터 세트에서 우리는 35개의 작은 빨간 점을 발견했습니다. 그 중 대부분은 이미 공개적으로 사용 가능한 JWST 이미지를 사용하여 발견되었습니다. 그러나 새로운 것은 가장 극단적이고 매혹적인 물체로 밝혀졌습니다.” 가장 놀라운 발견은 2024년 7월에 이루어졌습니다. 그들은 “절벽”이라고 명명한 엄청나게 먼 사례로, 그 빛은 우리에게 도달하기 위해 119억 년을 여행했습니다(적색편이 z=3.55). 그 특성은 그것이 작은 빨간 점 집단을 특히 강력하게 대표하고 따라서 그들에 관한 이론을 테스트하는 데 중요한 개체임을 시사했습니다.

Cliff라는 이름은 스펙트럼의 극적인 특징 때문에 붙여졌습니다. 일반적으로 자외선 영역에서 스펙트럼은 매우 가파른 상승을 보였습니다. 우주의 팽창으로 인해 그 파장은 원래 값의 거의 5배로 늘어나 우주적 적색편이라고 불리는 과정인 근적외선에 놓이게 되었습니다. 이러한 급격한 상승을 “발머 브레이크(Balmer break)”라고 합니다. 발머 틈은 일반 은하, 특히 새로운 별이 거의 없거나 전혀 형성되지 않는 은하에서 나타나지만 절벽에서 본 것보다 훨씬 약합니다.

알려진 모든 설명 테스트하기

비정상적으로 날카로운 Balmer 브레이크는 The Cliff를 작은 빨간 점에 대한 두 가지 주요 해석과 상충되게 만들었습니다. De Graaff와 그녀의 동료들은 그 특징을 재현하려고 시도하면서 물체의 스펙트럼에 대해 광범위한 은하계와 활동은하핵 모델을 테스트했습니다. 모든 모델이 실패했습니다.

Anna de Graaff는 “The Cliff의 극단적인 특성으로 인해 우리는 다시 초기 단계로 돌아가 완전히 새로운 모델을 생각해내게 되었습니다.”라고 말합니다. 이 무렵, 중국과 영국 연구자들의 2024년 9월 연구에서는 일부 발머 브레이크 특징이 별이 아닌 다른 출처에서 나올 수 있다고 제안했습니다. De Graaff의 팀은 관련 아이디어를 스스로 고려하기 시작했습니다. 발머 단절은 매우 뜨겁고 어린 단일 별의 스펙트럼뿐만 아니라 그러한 별이 많이 포함된 은하에서도 나타날 수 있습니다. 이상하게도 The Cliff는 전체 은하계의 스펙트럼보다 하나의 매우 뜨거운 별의 스펙트럼과 더 유사했습니다.

새로운 모델 등장: 블랙홀 별(BH)*

이 아이디어를 바탕으로 de Graaff와 그녀의 동료들은 BH*로 표기된 “블랙홀 별”이라고 부르는 새로운 개념을 도입했습니다. 이 모델에서 중앙 엔진은 강착 원반이 있는 초거대 블랙홀을 포함하는 활성 은하 핵이지만, 전체 시스템은 먼지 대신 방출된 빛을 붉게 만드는 두꺼운 수소 가스층으로 둘러싸여 있습니다. BH* 물체는 중심에 핵융합이 없기 때문에 진정한 별이 아닙니다. 그들 주변의 가스는 일반적인 별의 대기에서 발견되는 그 어떤 것보다 훨씬 더 격동적입니다. 그래도 기본적인 물리적 상황은 비슷합니다. 활성 은하 핵은 핵융합이 별의 외부 층을 가열하는 방식과 유사한 방식으로 주변 가스 봉투를 가열하여 유사한 외관을 생성합니다.

팀이 제시한 모델은 초기 개념 증명 역할을 합니다. 아직 데이터와 완벽하게 일치하지는 않지만 이전 모델보다 관찰된 특징을 더 성공적으로 재현합니다. The Cliff라는 이름에 영감을 준 스펙트럼의 가파른 상승은 활성 은하 핵 주위의 밀도가 높고 구형이며 난류인 가스 봉투로 설명될 수 있습니다. 이 해석이 정확하다면 절벽은 중앙 블랙홀 별이 지배하는 극단적인 경우를 나타내는 반면, 다른 작은 빨간 점들은 BH* 빛과 주변 별 및 가스의 빛이 다양한 혼합으로 포함되어 있을 것입니다.

빠른 초기 은하 성장에 대한 시사점

BH* 개체가 실제라면 또 다른 오랜 수수께끼를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다소 작은 중간 질량 블랙홀에 대한 초기 이론적 연구에서는 이와 같은 가스로 둘러싸인 구성이 초기 우주에서 매우 빠른 블랙홀 성장을 가능하게 할 수 있다고 제안했습니다. JWST는 이미 초기에 비정상적으로 거대한 블랙홀에 대한 증거를 공개했습니다. 만약 초대질량 블랙홀 별이 비슷한 방식으로 성장한다면, 그들은 급속한 성장을 설명하는 새로운 메커니즘을 제공할 수 있을 것입니다. BH* 물체가 이를 달성할 수 있는지 여부는 여전히 불확실하지만, 만약 가능하다면 초기 은하 진화 모델에 큰 영향을 미칠 것입니다.

이러한 유망한 통찰력에도 불구하고 주의가 필요합니다. 결과는 완전히 새로운 것이며 동료 검토 저널에 승인된 후에만 과학 연구를 보고하는 표준 관행을 따릅니다. 이러한 아이디어가 널리 받아들여질지 여부는 앞으로 몇 년 동안 수집된 추가 증거에 달려 있습니다.

남아있는 미스터리와 미래의 관찰

새로운 발견은 The Cliff의 극단적인 발머 브레이크(Balmer break)를 설명할 수 있는 최초의 모델을 제공함으로써 중요한 진전을 의미합니다. 그러나 그들은 또한 새로운 질문을 제기합니다. 애초에 어떻게 그런 블랙홀 별이 형성될 수 있었습니까? (특히 블랙홀이 가스를 소비하고 어떻게든 보충되어야 하기 때문에) 특이한 가스 봉투가 오랜 기간 동안 지속될 수 있도록 하는 것은 무엇입니까? The Cliff의 다른 스펙트럼 특성은 어떻게 발생합니까?

이러한 문제를 해결하려면 이론적 모델링과 더 많은 관찰이 필요합니다. De Graaff 팀은 이미 The Cliff와 기타 특히 흥미로운 작은 빨간 점을 표적으로 삼아 내년에 JWST 후속 관찰을 계획하고 있습니다.

이러한 미래 연구는 블랙홀 별이 실제로 초기 은하계를 형성하는 데 역할을 했는지 여부를 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 가능성은 흥미롭지만 확정된 것과는 거리가 멀다.

배경 및 연구팀

여기에 설명된 연구는 A. de Graaff et al., “놀라운 루비: 진화된 별이 아닌 밀도 높은 가스에서의 흡수가 z = 3.5에서 작은 빨간 점의 극단적인 발머 브레이크를 구동합니다”로 출판이 승인되었습니다. 천문학 및 천체 물리학. RUBIES 조사에서 얻은 더 넓은 Little Red Dots 샘플을 제시하는 Raphael Hviding이 주도한 동반 논문도 같은 저널에 “RUBIES: A spectroscopic census of little red dots — V자형 연속체를 가진 모든 점 광원에는 넓은 선이 있습니다.”라는 제목으로 출판되었습니다.

참여한 연구원으로는 Max Planck Institute for Astronomy의 Anna de Graaff, Hans-Walter Rix 및 Raphael E. Hviding과 Gabe Brammer(Cosmic Dawn Center), Jenny Greene(Princeton University), Ivo Labbe(Swinburne University), Rohan Naidu(MIT), Bingjie Wang(Penn State University 및 Princeton University) 및 기타 공동 작업자가 있습니다.