QSO J0313−1806

QSO J0313−1806는 2021년 1월 발표 당시 가장 먼 거리(가장 높은 적색편이)에 있는 퀘이사로 기록된 천체이다. 공식 명칭은 J031343.84−180636.4이며, 약칭으로 J0313−1806으로 표기된다.

개요

QSO J0313−1806은 적색편이 z = 7.642에 위치한 고광도 퀘이사로, 빅뱅 이후 약 6억 7천만 년(우주 나이 약 5% 시점)의 시점에 존재했던 천체이다. 지구로부터의 광행거리는 약 130억 광년, 고유거리는 약 300억 광년에 해당한다. 2021년 Feige Wang(애리조나 대학)이 이끄는 국제 공동 연구팀이 《The Astrophysical Journal Letters》에 발견을 보고하였다.

물리적 특성

• 볼로메트릭 광도: 약 1.4 × 10⁴⁷ erg s⁻¹ (태양 광도의 약 3.6 × 10¹³배)
• 중심 초대질량 블랙홀 질량: (1.6 ± 0.4) × 10⁹ M☉ (태양 질량의 약 16억 배)
• 에딩턴 비율: 0.67 ± 0.14 (급속한 강착 단계에 있음을 의미)
• 은하 내 별형성률: 약 200 M☉/년 (태양 질량의 200배에 해당하는 별들을 매년 생성)
• 먼지 질량: 약 7 × 10⁷ M☉

발견 및 관측

이 퀘이사는 Pan-STARRS1, DESI Legacy Imaging Surveys, UKIRT Hemisphere Survey, VISTA Hemisphere Survey, WISE 등 여러 적외선 및 광학 관측 데이터를 결합한 재이온화 시대 퀘이사 탐사(reionization-era quasar survey)를 통해 발견되었다. 광학 대역에서는 전혀 검출되지 않았으나 적외선 대역에서 뚜렷하게 관측되어 고적색편이 퀘이사 후보로 선별되었다.

확인 관측에는 Magellan/FIRE, Gemini/Flamingos-2, Gemini/GNIRS, Keck/NIRES 등 여러 지상 망원경이 사용되었으며, 칠레의 ALMA(아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 간섭계) 관측을 통해 [C II] 방출선과 먼지 연속복사가 검출되어 정확한 적색편이(z = 7.6423 ± 0.0013)가 결정되었다.

과학적 중요성

블랙홀 형성 모델에 대한 제약

빅뱅 이후 약 6억 7천만 년이라는 짧은 시간 안에 16억 태양질량의 초대질량 블랙홀이 형성되었다는 사실은 기존의 블랙홀 형성 이론에 중요한 도전을 제기한다. 만약 이 블랙홀이 에딩턴 한계에서 성장했다고 가정할 경우, 최초 종자 블랙홀(seed black hole)의 질량은 최소 10⁴~10⁵ M☉이어야 하며, 이는 Population III 항성 잔해나 밀집 성단의 동역학적 과정으로는 설명이 어렵다. 따라서 직접붕괴 블랙홀(direct-collapse black hole, DCBH) 시나리오가 선호되는 형성 경로로 제시되었다.

상대론적 물질 방출

이 퀘이사의 스펙트럼에서는 C IV 및 Si IV에서 강력한 광흡수선(Broad Absorption Line, BAL) 특징이 관측되었으며, 물질 방출 속도가 광속의 약 20%에 달하는 극고속 유출(extremely high-velocity outflow)이 확인되었다. 이는 초기 우주에서 활동성 은하핵(AGN) 피드백이 모은하의 별형성에 영향을 미칠 수 있다는 가장 이른 증거로 평가된다.

모은하 특성

ALMA 관측 결과, 이 퀘이사의 모은하는 격렬한 별형성 활동(연간 약 200 태양질량)을 보이며 상당량의 먼지(약 7×10⁷ M☉)를 이미 축적한 상태였다. 이는 초기 우주에서 은하가 매우 빠르게 성장하고 있었음을 시사한다.

기록 갱신

QSO J0313−1806은 발견 당시 ULAS J1342+0928(z=7.54)이 보유하던 가장 먼 퀘이사 기록을 경신하였다. 이후 2023년, UHZ1이 발견되면서 가장 먼 퀘이사의 기록은 다시 갱신되었다.

기본 정보

참고문헌

• Wang, F. et al. (2021). "A Luminous Quasar at Redshift 7.642". The Astrophysical Journal Letters, 907(1), L1. doi:10.3847/2041-8213/abd8c6