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세계에서 가장 오래되고 가장 밝은 퀘이사는 어떻게 존재하게 되었습니까?

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지구에서 130억 광년 떨어진 해변에서 우주의 등대처럼 빛나는 퀘이사는 오늘날 천문학자들이 발견한 초기 우주의 가장 오래되고 밝은 유물 중 하나입니다. 퀘이사는 “quasi-stellar radio source”의 약자로 은하만큼 밝게 빛나고 태양보다 수백만 배에서 수십억 배 무거운 초대질량 블랙홀입니다.

오늘날 퀘이사는 많은 대형 은하의 중심에 존재하며 탁월한 밝기 덕분에 시공간을 통해 추적됩니다. 지금까지 그 중 200개는 세계가 시작된 후 수십억 년 이내에 발견되었습니다.

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자, 은하계의 인구가 매우 희박하고 무거운 별이 극히 드물던 우주가 탄생한 직후 어떻게 그처럼 거대한 물체가 형성되었을까요? 첫 번째 퀘이사 발견 이후 이 질문은 20년 넘게 연구자들의 마음을 사로잡았고, 이제 네이처(Nature) 저널에 7월 6일자에 실린 새로운 연구가 그 답을 제시할 수 있습니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 연구자들은 초기 우주에서 별의 형성을 모델링했습니다. 그들은 차가운 가스의 두 난류가 충돌하는 드문 조합 중 하나에 초점을 맞췄습니다. 비록 별을 형성하는 가스 흐름이 오늘날 우주의 다른 부분에서 충돌하는 것처럼 충돌하지만, 빅뱅 이후 수십억 년 동안 자연 구름이나 두 흐름 사이의 충돌 퇴적물은 드물었습니다. 이러한 이유로 이러한 대상은 유혹적이지만 혼란스러운 연구 영역 중 하나가 되었습니다.

슈퍼컴퓨터 시뮬레이션은 고대 가스 구름에서 거대한 별(빨간색)이 형성되고 있음을 보여줍니다.

시뮬레이션에 따르면 수백만 년 동안 이 흐름의 중심에 두 개의 거대한 항성 가스 덩어리가 축적되었습니다. 그러나 연구자들은 놀랍게도 초기 우주의 이전 모델과 달리 이 질량은 정상적인 크기의 별이 되지 않았습니다. 다니엘 월렌영국 포츠머스 대학의 우주론 수석 강사는 이 문제에 대해 다음과 같이 말합니다.

한류는 가스 구름에 난기류를 일으켜 정상적인 별의 형성을 막았고, 구름이 너무 무거워져서 자체 무게로 붕괴되어 두 개의 원시별이 탄생했습니다. 별 중 하나는 태양 질량의 30,000배이고 다른 별은 40,000배입니다.

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이전 연구 추정에 따르면 각 퀘이사는 태어날 때 10,000에서 100,000 태양 질량을 가질 수 있습니다. 이 경우 새로운 시뮬레이션의 초기 거성 둘 다 우주 최초 퀘이사의 안정적인 코어가 될 수 있습니다. 사실, 두 별은 모두 블랙홀로 붕괴되어 거대한 퀘이사가 되면서 주변 가스를 삼켰을 수 있습니다.

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이 거대한 블랙홀은 시공간 변동의 성장 동안 중력파를 방출했을 수 있습니다. 또한 과학자들은 특수 관측소를 사용하여 향후 수십 년 동안 이러한 파동을 감지하고 시뮬레이션 결과를 검증할 수 있습니다.

현재의 연구가 확인된다면 초기 우주의 별 형성에 대한 관점에서 혁명의 시작이 될 수 있습니다. 이전 연구에 따르면 초기의 무거운 별은 강한 자외선 복사를 포함한 외부 힘이 더 작은 별의 형성을 방해하는 난기류 환경에서 형성되었을 가능성이 있습니다. 그러나 새로운 시뮬레이션은 그러한 환경의 존재가 필요하지 않다는 것을 보여줍니다.

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퀘이사의 코어는 자연적으로 형성될 수 있으며, 이 코어에서 희귀한 차가운 가스 흐름이 서로 충돌합니다. “최초의 초대질량 블랙홀은 원시 우주 구조 또는 우주 수각류 자손의 형성으로 인한 자연스러운 결과였습니다.”라고 Wallen은 결론지었습니다.

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