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빠르게 희미해지는 퀘이사들이 발견되었다 : 그것은 성경적 창조론 모델과 어떻게 적합한가?

저자: John G. Hartnett
번역자: 한국창조과학회 (creation.or.kr)

퀘이사(Quasar)는 넓은 방출선(broad emission line, BEL)의 스펙트럼을 가지며, 매우 높은 적색편이(very high redshift, 그림 1)를 갖는 천체이다. 넓은 방출선(BEL)은 보통의 '정상적인' 은하들의 것과는 매우 다르다. 이것은 천체의 적색편이와 BEL 스펙트럼을 사용하여 그들을 식별할 수 있음을 의미한다.

그리고 퀘이사들의 높은 적색편이 때문에, 그들은 매우 멀리 떨어져있는, 전자기 스펙트럼의 모든 파장대에 걸쳐 엄청난 양의 복사선을 방출하고 있는, 중심부에 엄청난 질량의 블랙홀을 가지고 있는, 매우 빛나는 활성 은하로 생각되고 있다.

Fig1Spectra
그림 1. 항성 베가(Vega)와 비교한 퀘이사 3C 273의 스펙트럼. 스펙트럼 선은 스펙트럼의 적색 끝 쪽으로 이동해 있다. 이것으로부터 그 거리는 표준 LCDM 우주론을 사용하여 결정된다.

우주에서 가장 높은 적색편이의 천체들은 대부분 퀘이사이다. 빅뱅 우주론에서 해석될 때, 은하와 퀘이사의 적색편이(redshifts)는 우주에서 가장 멀리 떨어져 있는 천체들로서(적색편이가 클수록 거리가 멀다), 우주가 젊었을 시기를 보여주고 있다는 것이다.1

빅뱅 우주론에 의하면, 퀘이사들은 낮은 적색편이를 보여주는 일반적인 나선은하 및 타원은하들보다 오래된, 우주의 초기 단계에 (몇몇은 빅뱅의 시기와 가까운) 형성된 은하로 간주된다.

그림 2에서 볼 수 있는 퀘이사 3C 273은 1960년대 초에 천문학자 앨런 샌디지(Allan Sandage)가 최초로 발견한 것으로, 처녀자리(constellation of Virgo)의 거대한 타원은하에 존재한다. 표준 우주론에 따르면, 그것의 적색편이는 지구로부터 25억 광년 거리에 떨어진 것으로 평가된다.

퀘이사에서 은하로 전환

빅뱅 이론에 따르면, 퀘이사가 정상 은하로 전환되기까지, 퀘이사 형태로 얼마나 오랜 시간을 머물러 있어야하는 것인가? 그리고 그 전환에는 얼마나 오랜 시간이 걸리는 것인가? 분명히 그 질문에 대한 대답은, 퀘이사가 실제로 무엇인지에 대한 올바른 이해를 가진 사람의 견해와, 퀘이사의 진화에 대한 정확한 모델에 달려있다.

한 퀘이사에서 정상 은하로의 전환은 말할 것도 없고, 은하 형성에 대한 정확한 모델도 결코 알려져 있지 않다는 것은 과소평가되어서는 안 된다. 은하의 형성에는 매우 많은 암흑물질의 량을 필요로 한다. 그리고 은하처럼 보이는 것을 얻기 위해, 별 형성의 중요한 세부 사항들은 종종 뛰어넘는(설명되지 않는) 경우가 있다. 이것은 컴퓨터 시뮬레이션에서 커다란 장벽이 되고 있는, 은하와 별들의 자연적 형성을 막고 있는, 물리법칙들이 이 우주에 있음을 의미한다. 이러한 법칙들은 시뮬레이션이 진행되는 과정에 있어서 '뛰어넘어야'만 한다.2

quasar-3C-273
그림 2. 처녀자리의 거대한 타원은하에 있는, 퀘이사 3C 273.

퀘이사들은 대부분 은하들의 질량과 비슷한 질량을 가지고 있다고 가정될 수 있다. 그것으로부터, 이것들의 자연주의적 변화, 즉 동일과정설적 변화는 10억 년 정도의 세월이 걸렸을 것으로 예상되고 있다.3

퀘이사(quasars)에서 기대되는 변화(전환)에 대한 어떠한 실제적 모델도 없기 때문에, 동일과정설적 시간 틀로 광도(luminosity)의 변화를 예상하는 것은, 그리고 일부 사람들의 제안처럼 슈퍼질량 블랙홀의 성장으로 그들의 연료가 공급되었다고 예상하는 것은, 그렇게 불합리한 것이 아니다. 이와는 대조적으로, 창세기 1장의 기록에 따르면, 하나님은 모든 우주의 천체들을 24시간의 하루 동안에 창조하셨다. 그러므로 성경적 우주론에 의하면, 젊은 천체(퀘이사를 포함하여)들은 광도와 같은 관측 가능한 특성들이 매우 빠르게 변화될 것이 예상된다.

그리고 실제로 퀘이사의 광도 변화가 매우 빠르게, 심지어 날(days)과 주(weeks)의 스케일로 빠르게 일어나고 있음이 관측되었다.4,5 이러한 빠른 변화에 대한 원인으로, 한 제안은 마이크로렌징(microlensing)에 의해서라는 것이고6, 다른 제안은 성간 먼지에 의해서 흐릿하게 되었다는 것이다. 그러나 이들 메커니즘들은 매우 긴 시간에 걸쳐 일어나는 것으로 간주되고 있었다.7 또 다른 제안은 중심부의 거대한 블랙홀에 의해서, 한 지나가는 별, 또는 가스와 먼지가 급속하게 소비되었기 때문이라는 것이다.

짧은 시간 스케일에서 퀘이사의 급격한 변화는, 퀘이사의 심장부에 있는 것으로 주장되는 초대형 질량 블랙홀의 성장으로부터 예상되는 것이 아니기 때문에, 이러한 제안들이 제시되고 있는 것이다.

변화하는 모습의 퀘이사

이제 우리는 뉴스를 통해8, 천문학자들이 소위 ”변화하는 모습의 퀘이사(changing-look quasars)”라고 불리는, 사라지는 행동을 보이는 12개의 퀘이사를 발견했다는 보도를 읽을 수 있었다. 천문학자들은 퀘이사들이 활동을 정지한 희미한 은하(중심부에 굶주린 블랙홀을 가진 은하)로 변화해가는 것을 포착했던 것이다. 이 사실로 인해 천문학자들은 이 물체가 영구히 폐쇄되고 있는 것인지, 또는 잠시 깜박거렸던 것인지 묻고 있었다.

”작년에 NASA의 고더드 우주비행 센터(Goddard Space Flight Center)의 스테파니 라마사(Stephanie LaMassa, 당시 예일대학)는 한 퀘이사에서 탐지됐던 광도가 엄청나게 변화된 것을 발견했다. 그녀는 한 퀘이사가 불과 10년 만에 6배로 광도가 희미해졌다는 것을 발견했을때, 슬로언 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey)의 데이터를 살펴보았다. 그 스펙트럼도 역시 광도가 감소되어, 고전적인 퀘이사에서 정상적인 은하로 바뀌어져 있었다.”8

천문학자들은 빅뱅 패러다임으로 인해, 매우 장구한 시간 틀을 믿고 있기 때문에, 어떤 퀘이사의 광도가 급격하게 희미해졌다는 것은, 일시적인 효과이거나, 매우 드물게 초거대질량 블랙홀로 연료가 소진된 극히 드문 경우를 관측한 것이라고 제안하도록 강요당한다. 한 보고서는 다음과 같이 말하고 있었다 :

Dana Berry/SkyWorks Digital, Inc.; SDSS collaboration.Fig3ChangingLookQuasar
그림 3. 이 이미지는 2015년 초에 등장한 ”변화하는 모습의 퀘이사”에 대한 미술가의 생각을 보여준다. 빛나는 파란색 영역은 중심부 블랙홀이 닫히면서 마지막으로 가스를 삼키는 모습을 보여준다. 스펙트럼은 2003년 SDSS에서 얻어진 이전의 스펙트럼이다.

”천문학자들은 퀘이사 SDSS J1011+5442의 중심부에서 블랙홀의 흔적을 발견할 수 없었다. 그들은 행복할 수 없었다.”9

이 퀘이사의 경우(그림 3 참조) 다음과 같이 주장되었다 :

”… 지난 10년 동안 주변에 있던 모든 가스를 삼킨 것으로 보인다. 가스가 블랙홀로 떨어지면서, 슬로언 디지털 스카이 서베이(SDSS)의 천문학자들은 퀘이사의 분광적 서명을 발견할 수 없었고, 지금은 다른 은하들처럼 정상 은하로 보인다.”9

어두워짐(dimming)은 매우 현저했다. 이제 퀘이사들은 보통의 은하처럼 보인다.

”그 차이는 놀랍고 전례가 없었던 것이다”라고 관련 논문의 수석저자인 워싱턴 대학의 존 루안(John Ruan)은 말했다… ”수소 알파 방출(hydrogen-alpha emission)은 12년도 안되어 50배로 감소했으며, 퀘이사는 이제 정상 은하처럼 보인다.” 그 변화는 너무 커서 SDSS와 천문학계에서 그 퀘이사는 ”변화하는 모습의 퀘이사”로 알려지게 되었다.9

그러나 새로 발견된 한 퀘이사는 빠르게 어두워졌다가, 다시 밝아졌다.

”새로 발견된 12개의 퀘이사들 중 하나는 사라지지 않고, 다시 나타났다. 크롤릭(Krolik)은 이 고독한 퀘이사가 블랙홀로 흘러들어가는 가스와 먼지의 변동으로 인해 어두워졌던 것과 동일한 이유로, 다시 빛을 발하고 있다고 생각하고 있다.”8

초거대 블랙홀에 의해 구동되는 AGNs10과 같은 퀘이사에 대한 표준 해석이 하나의 가능성 있는 설명일 수 있음은 분명하다. 다음 단계의 연구는 새로 발견된 12개의, 또는 그 이상의 퀘이사들이 향후 몇 년 동안 다시 밝아지는지를 확인하는 것일 것이다.

다른 설명

이와는 다른 설명이 있다. 그 설명은 작고한 핼튼 아프(Halton Arp)의 연구와 일치하는 설명이다.11 아프는 퀘이사들은 활성 모은하(active parent galaxies)의 중심부에서 태어났다고 제안했다.

분출된(ejected) 퀘이사는 시간이 지남에 따라, 활발하고 매우 빛나는, 넓은 방출선(BEL)의 스펙트럼을 갖고 있는, 높은 적색편이의 천체에서, 훨씬 더 낮은 적색편이와 전형적인 스펙트럼을 갖는, 일반적인 보통의 은하로 바뀌어간다.

이것은 그림 4에 설명되어 있다.

퀘이사는 활성 은하핵으로부터 반대 방향으로 분출되며, 시간이 지남에 따라 적색편이를 포함하여 내부 상태는 변화된다. 보통 은하에서 흔히 관찰되는 낮은 적색편이를 가진 천체로, 한계가 구분되는 단계를 거치면서 변화된다. 따라서 퀘이사와 활성 은하핵은 보통의 정상 은하가 된다.

Fig4ArpModel
그림 4. 활성의 모은하로부터 퀘이사의 방출에 대한 핼튼 아프의 모델과, 정상 은하로의 최종적 변화. 아프의 책 ‘적색 빛을 보기(Seeing Red)’에 있는 원 그림을 하르트넷(Hartnett)이 재구성하였다.11

퀘이사, 또는 활성 은하핵이 비활성 상태가 될 수 있다는 생각은 빅뱅 우주론에서도 그리 큰 문제가 될 것은 없다. 다만 그 과정에 예상되는 시간은 수만 년 이상이었다. 라마사와 그녀의 동료들이 놀랐던 것은, 불과 10년 만에 퀘이사가 활성 상태에서 비활성 상태로 전환되었다는 것이었다. 이것은 새로운 발견이었고, 이제 빠르게 어두워지는 퀘이사들이 확인되었던 것이다. 관측된 퀘이사의 방출 특성의 급격한 변화는 창조론의 시간 틀과는 매우 정확하게 일치한다. 그들의 스펙트럼이 고전적 퀘이사에서 정상 은하로 변화하는 것까지도 말이다.9

성경적 창조론의 설명

따라서 이 발견은 천문학적 근원들에 일어나는 과정이 7,000년보다 적을 것으로 예상하는 성경적 창조론의 시나리오와 일치한다.

활성 은하핵(모은하)으로부터 형성된 은하와 퀘이사 형태로 방출된 은하의 창조 과정에 있어서, 퀘이사(그들 중 적어도 일부)가 짧은 기간 동안에, 창조 이후 대략 6,000년 보다 적은 기간 내에, 정상 은하로 변화할 수 있다는 것은 중요할 수 있다.

많은 은하들이 현재의 형태로 창조됐을 것이 예상되지만, 만약 퀘이사와 활성 은하핵이 정상 은하로 변화된다는 핼튼 아프의 증거가 정확하다면, 이것은 성경적 창조 모델에서 예상될 수 있는 것이다.

여기에서 우리는 이러한 빠르게 희미해진 퀘이사가 어두운 상태로 남아있을지, 다시 밝아질 지를 볼 수 있는 기회를 얻었다. 시간이 말해 줄 것이다.

참고 문헌및 메모

  1. This claim I dispute, as there is evidence that puts this idea in doubt, johnhartnett.org. There is strong evidence, even in the very large galaxy surveys, that suggests a very high probability of high redshift quasars being associated with low redshift parent galaxies. 텍스트로돌아 가기.
  2. Hartnett, J.G., Stars just don’t form naturally—‘dark matter’ the ‘god of the gaps’ is needed, 2015; creation.com/star-formation. 텍스트로돌아 가기.
  3. Back of the envelope calculation for the formation of a typical-sized galaxy and hence quasar from the free collapse of a proto-Galactic cloud is of the order of one billion years. See Carroll, B.W. and Ostlie, D.A., An Introduction to Modern Astrophysics, 1st edn, pp. 1074–1075, 1996. 텍스트로돌아 가기.
  4. Hawkins, M.R.S., Time dilation and quasar variability, Astrophys. J. 553:L97–L100, 2001. 텍스트로돌아 가기.
  5. Hawkins, M.R.S., On time dilation in quasar light curves, MNRAS 405:1940–1946, 2010. 텍스트로돌아 가기.
  6. When a quasar is sufficiently aligned with a massive compact foreground object the bending of light due to its gravitational field is distorted, resulting in an observable magnification. The timescale of the transient brightening depends on the mass of the foreground object as well as on the relative proper motion between the background ‘source’ and the foreground ‘lens’ object. 텍스트로돌아 가기.
  7. MacLeod, C.L. et al., A systematic search for changing-look quasars in SDSS, MNRAS 457(1):389–404, 2016. 텍스트로돌아 가기.
  8. Hall, S., The Case of the Disappearing Quasars, Scientific American, scientificamerican.com, 23 November 2015. 텍스트로돌아 가기.
  9. Raddick, J., The Case of the Missing Quasar, SDSS, sdss.org, 6 January 2015. 텍스트로돌아 가기.
  10. AGN = Active Galactic Nucleus. 텍스트로돌아 가기.
  11. Hartnett, J.G., The heavens declare a different story, J. Creation 17(2):94–97, 2003; creation.com/declare. 텍스트로돌아 가기.