스페이스 클럽 유클리드는 우주 역사의 첫 10억 년에 대한 새로운 창을 연다

[발사총책임자]

현대 천문학에서 가장 큰 미스터리 중 하나는 우주가 어떻게 그렇게 빠르게 거대한 블랙홀을 성장시킬 수 있었는가 하는 점입니다.

빅뱅 이후 10억 년도 채 되지 않아 우주에는 이미 엄청난 양의 가스를 소비하는 초질량 블랙홀에 의해 구동되는 퀘이사들이 존재하고 있었습니다. 그 블랙홀들 중 다수는 태양의 수억 배, 심지어 수십억 배의 질량을 포함하고 있습니다. 천문학자들은 이렇게 짧은 우주 시간 안에 어떻게 그렇게 거대한 크기에 도달했는지 아직도 이해하려고 노력하고 있습니다.

이 천체들을 조사하는 데 한 가지 어려움은 그 거리 외에도 너무 적어 전체적인 그림을 그려내기에는 부족하다는 점이다. 수십 년간의 탐색 끝에, 우주의 첫 7억 7천만 년 동안 알려진 준성은 단 9개뿐이었습니다. 이렇게 적은 숫자 때문에 일반적인 특성인지 개별 개성을 연구하는지 알기 어렵다.

이제 ESA의 유클리드 우주 망원경이 그 상황을 극적으로 바꿔놓았습니다. 유클리드는 첫 18개월 관측 기간 동안 빅뱅 이후 6억 년에서 8억 년 사이의 31개의 준성을 확인했습니다. 천문학자들은 이러한 거리를 적색편이로 설명하는데, 이는 우주의 팽창이 천체의 빛을 얼마나 늘렸는지를 측정하는 지표로, 더 먼 과거에 관측된 물체들이 더 높은 값에 해당합니다. 세계 최대 망원경들로 인한 후속 관측 결과, 후보들이 퀘이사임이 확인되었으며, 적색편이 7 이후로 알려진 수의 두 배 이상 증가했고, 지금까지 발견된 가장 먼 두 퀘이사를 드러냈다.

이 콜라주는 유럽우주국(ESA)의 유클리드 우주망원경이 새로 발견한 31개의 퀘이사 중 15개를 보여줍니다. 출처: ESA/Euclid/Euclid 컨소시엄/NASA, 이미지 처리는 Euclid Science Ground Segment와 Antoine Basset(CNES)이 담당했습니다.

이 발견들의 기록적인 측면이 헤드라인을 장식하고 있지만, 진짜 이야기는 천문학자들이 마침내 충분한 천체를 확보해 가장 초기 퀘이사들을 고립된 호기심이 아닌 집단으로 연구하기 시작했다는 점입니다.

'적색편이 7 이후로 알려진 퀘이사가 몇 개뿐이기 때문에, 우리는 이 질문들에 답할 수 없다'고 네덜란드 라이덴 천문대의 다밍 양은 이 연구를 설명한 논문의 제1저자라고 말한다. '이런 거리에서 더 많은 이들을 찾아내고, 더 먼 거리까지 밀어붙이는 것이 앞으로 나아갈 유일한 길이다.'

유클리드는 주로 우주의 대규모 구조를 지도화하여 암흑물질과 암흑에너지를 조사하기 위해 설계되었습니다. 하지만 넓은 시야각과 민감한 근적외선 영상의 조합은 지금까지 관측된 가장 먼 천체 중 일부를 발견하는 데에도 놀라울 정도로 효과적임을 입증하고 있습니다.

우주가 팽창함에 따라 원격 퀘이사에서 나오는 빛은 지구에 도달하기 전에 더 긴 파장으로 늘어납니다. 가장 초기 퀘이사에서 나온 빛이 도착할 때쯤이면 대부분이 적외선으로 이동해 전통적인 광학 조사로는 이 천체들을 탐지하기 어렵게 만듭니다. 유클리드는 이 파장들을 광대한 하늘 영역에서 관측하도록 설계되어 이전 탐색보다 훨씬 더 많은 후보를 발견할 수 있게 되었다.

팀은 먼저 유클리드의 가시광선 및 적외선 이미지를 사용해 유망한 후보를 식별했습니다. 기계 학습 기법과 다른 조사 데이터로 샘플을 정제하는 데 도움을 주었고, 천문학자들은 하와이의 W. M. 켁 천문대, 칠레의 마젤란 망원경, 애리조나의 대형 쌍안경 망원경 등 대형 지상 천문대에 분광학적으로 검증을 의뢰했습니다.

이 스펙트럼들은 물체의 빛을 개별 파장으로 나누어 만들어졌으며, 이른바 '라이먼-알파 결절'을 드러냈는데, 이는 젊은 우주에서 중성 수소가 특정 파장의 빛을 흡수하면서 발생하는 밝기 급격한 감소입니다. 이 특징의 위치 덕분에 천문학자들은 각 퀘이사의 적색편이를 추정할 수 있고, 따라서 우주 역사에서 얼마나 과거에 관측되고 있는지 알 수 있습니다.

가장 먼 두 개의 퀘이사는 적색편이가 7.77과 7.69에 위치해 있어, 천문학자들이 빅뱅 이후 약 6억 7천만 년 만에 존재했던 것으로 보입니다.

확대된 샘플은 최초의 초대 대량 블랙홀이 어떻게 그렇게 빠르게 형성되고 성장했는지 조사하는 새로운 길을 열어줍니다. 퀘이사는 은하 중심 블랙홀이 물질을 적극적으로 소비하는 시기를 표시하기 때문입니다. 따라서 각 새로운 퀘이사는 젊은 우주에서 활발히 성장하는 블랙홀의 모습을 보여줍니다.

퀘이사의 밝기, 흡수 특성, 그리고 의미 있는 집단 내 숙주 은하를 비교함으로써, 연구자들은 어떤 특성이 공통적이고 어떤 특성이 예외적인 천체에만 속하는지 조사할 수 있습니다.

이 그래픽은 유럽우주국(ESA)의 유클리드 망원경이 새로 발견한 31개의 준성(노란색 점)의 위치와 2025년 8월 임무의 조사 발자국(파란색 영역)을 보여줍니다. 가장 먼 곳에서 발견된 퀘이사들의 위치는 빨간 점으로 표시되어 있습니다. 출처: ESA/유클리드/유클리드 컨소시엄/NASA/플랑크 협력체/A. 멜린거; 감사: 장-샤를 퀴이앙드르, 조앙 디니스).

새로운 발견들은 특히 가치가 있는데, 많은 이들이 이전에 비슷한 거리에서 알려진 소수의 준성보다 빛이 낮기 때문입니다. 따라서 그 초기 천체들은 가장 밝고 극단적인 예시만을 대표했을 수 있다. 유클리드는 점점 더 넓은 인구를 드러내기 시작하여, 천문학자들이 블랙홀과 그 숙주 은하가 처음 10억 년 동안 어떻게 함께 발전했는지 추적할 기회를 더 잘 갖게 되었습니다.

같은 퀘이사들은 성장하는 블랙홀과 그 모주 은하들이 주변 우주에 어떤 영향을 미쳤는지도 보여줄 수 있습니다. 이들은 재이온화(reionization)라는 시대에 존재했습니다.

첫 원자가 형성된 후, 은하 사이의 수소 대부분은 중성이었습니다. 최초의 별, 은하, 그리고 흡수 중인 블랙홀들이 등장하면서, 그들의 에너지 복사는 점차 수소에서 전자를 빼앗아 갔습니다. 천문학자들은 다양한 시야선을 따라 얼마나 많은 중성 수소가 남아 있었는지 연구함으로써 이 변화가 언제, 어떻게 전개되었는지 추적할 수 있습니다.

퀘이사는 이 연구를 수행하는 데 가장 적합한 도구 중 하나입니다. 그들의 강렬한 빛은 먼 탐조등과 같아, 은하 사이의 수소를 통해 비추어 지구에 도달합니다. 그 사이 가스는 준사의 스펙트럼에 미묘한 흡수 신호를 남겨, 천문학자들이 젊은 우주의 광대한 구간에서 조건을 탐사할 수 있게 합니다. 이런 퀘이사가 소수에 불과해 그런 시야는 드물었습니다. 수십 개의 자료가 확보되면서 연구자들은 재이온화가 어떻게 전개되었는지에 대해 훨씬 더 완전한 그림을 구축할 수 있습니다.

이 발견들은 또한 유클리드가 먼 우주를 연구하는 범용 관측소로서의 역할을 강화합니다. 임무의 주요 목표는 여전히 암흑물질과 암흑에너지를 이해하는 것이지만, 이미 하늘의 3분의 1 이상을 조사하는 것이 천체물리학의 다른 많은 분야에 비할 데 없는 자원을 제공할 것임을 입증하고 있습니다.

그리고 이것은 시작에 불과합니다. 현재의 발견들은 유클리드의 6년 조사 중 첫 번째 부분에서만 나왔습니다. 팀은 완성된 임무가 우주 역사 첫 10억 년 동안 수백 개의 퀘이사를 더 발견할 것으로 기대하며, 어쩌면 적색편이 8을 넘어설 수도 있을 것입니다.

'이렇게 높은 적색편이의 실제 샘플을 처음으로 확보했고, 이전에는 답할 수 없었던 질문들에 답할 수 있게 되었습니다,'라고 양은 말합니다.

희귀한 호기심을 집단으로 전환함으로써, 유클리드는 천문학자들에게 최초의 거대 블랙홀이 어떻게 성장했는지, 그리고 그 방사선이 주변 우주를 어떻게 변화시켰는지 조사할 수 있는 방법을 제공할 것을 약속합니다.

천문학자들이 암흑물질에 대한 생각을 어떻게 재고하고 있는지 읽고 싶다면, 2026년 7월호를 참고하세요.

스페이스 클럽(Space Club)