JWST ‘작은 붉은 점’이 보여주는 초기 거대질량 블랙홀의 3단계 성장 경로

JWST(제임스 웹 우주망원경)가 발견한 ‘작은 붉은 점’(little red dots)은 완전히 새로운 한 종류의 천체라기보다, 초기 우주 블랙홀의 여러 성장 단계를 동시에 포착한 신호일 수 있다.

최근의 세 연구를 함께 보면 하나의 그럴듯한 경로가 보인다. 먼저 일반적인 별이 생기기 전부터 비교적 큰 블랙홀 씨앗이 만들어지고, 이어 매우 짙은 가스에 싸인 채 급격히 물질을 흡수하며, 일부는 가까운 은하의 상호작용과 이후 병합을 통해 더 빨리 질량을 키운다는 그림이다.

이는 빅뱅 뒤 얼마 지나지 않아 이미 매우 큰 블랙홀이 존재했다는 ‘우주 새벽’의 난제를 완화할 수 있다. 다만 모든 작은 붉은 점이 같은 방식으로 생겼다는 뜻은 아니다. 여전히 서로 경쟁하는 해석들이 남아 있다.

1. 최초의 별보다 앞선 ‘무거운 씨앗’의 가능성

‘거의 원시적인(not-quite-primordial)’ 블랙홀 가설은 우주 초기 순간에 생겼다고 가정하는 원시 블랙홀과, 별이 죽은 뒤 남는 보통의 항성질량 블랙홀 사이의 형성 경로를 제시한다.

이 시나리오에서는 비교적 약한 암흑물질 과밀 영역이 아주 이른 시기에 가스를 끌어모은다. 당시 뜨거웠던 우주배경복사(CMB)는 가스가 충분히 식어 잘게 쪼개지고 별로 변하는 일을 억제할 수 있다. 그 결과 일반적인 별 무리가 형성되기 전에 가스가 직접 붕괴해 블랙홀을 만들 가능성이 생긴다. 19

핵심 장점은 시간이다. 처음부터 질량이 큰 블랙홀은 거대한 질량까지 성장하기 위해 따라잡아야 할 거리가 훨씬 짧다. 그러나 이는 아직 형성 메커니즘에 관한 가설일 뿐, 별 이전 블랙홀 씨앗을 직접 검출한 결과는 아니다. 작은 붉은 점 전체 집단에 이 경로가 얼마나 중요한지도 검증되지 않았다. 19

2. 가까운 ‘작은 붉은 점’ 쌍이 보여주는 상호작용 경로

COSMOS-Web 연구는 각거리 0.2~1.2초각으로 떨어진 ‘이중 작은 붉은 점’ 후보 4쌍을 찾아냈다. 분석 결과, 서로 다른 거리의 무관한 천체가 우연히 시선 방향으로 겹쳐 보인 것만으로 이 분포를 설명하기는 어렵다. 40

무슬릿 분광 자료가 있는 두 계에서는 각 쌍의 두 성분이 같은 관측 파장에서 스펙트럼선을 보였다. 이들은 초기 우주에서 실제로 서로 가까운 곳에 있었을 가능성을 뒷받침한다. 40

이 작은 붉은 점들이 물질을 흡수하며 성장하는 블랙홀을 품고 있다면, 가까운 쌍은 두 가지 이유에서 중요할 수 있다.

• 은하끼리의 상호작용은 가스를 교란해 중심 블랙홀 쪽으로 흘려보낼 수 있다.
• 이후 은하와 중심 블랙홀이 합쳐지면, 병합을 통해 질량이 단계적으로 더해질 수 있다.

다만 이 해석은 조건부다. 하늘에서 가깝게 보인다고 반드시 중력으로 묶인 은하 쌍인 것은 아니며, 실제로 연관된 쌍이라고 해서 반드시 블랙홀 병합으로 이어지는 것도 아니다. 현재 관측은 ‘가까운 환경이 중요할 수 있다’는 증거로 보는 편이 적절하며, 병합 중인 블랙홀의 확정 검출은 아니다. 40

3. MoM-BH*-1: 성장하는 블랙홀이 별처럼 보일 수 있는 이유

MoM-BH*-1은 작은 붉은 점을 외형만으로 분류하기 어려운 이유를 잘 보여주는 사례다. 연구진은 이 천체를 일반적인 항성 핵융합이 아니라 중심 블랙홀에서 나오는 에너지로 빛나는 고밀도 가스 구름으로 해석하는 것이 가장 타당하다고 설명한다. 1

제시된 모형에서는 태양 질량의 약 10만 배인 블랙홀이 태양계 크기의 거대한 수소 외피 안에 자리한다. 블랙홀이 물질을 흡수하면서 방출한 에너지는 주변 가스에서 다시 처리돼, 전체 시스템을 별처럼 보이게 한다. 이 때문에 비공식적으로 ‘블랙홀 별(black hole star)’이라는 표현이 붙었다. 1

이 해석이 맞다면 중요한 관측적 함의가 있다. 매우 빽빽한 가스에 파묻힌 채 빠르게 물질을 먹는 블랙홀은 익숙한 퀘이사처럼 보이지 않고, 작고 붉은 광원처럼 나타날 수 있다는 점이다. 따라서 MoM-BH*-1은 모든 작은 붉은 점의 전형이라기보다, 그 넓은 집단 안에 존재할 수 있는 한 물리적 부류를 보여주는 사례일 수 있다. 1

종합하면: 씨앗, 급성장, 병합

세 연구를 합치면 초기 블랙홀의 빠른 조립을 설명하는 층위 있는 그림이 나온다.

1. 씨앗: 드문 환경에서는 보통의 별 형성보다 앞서 블랙홀이 만들어져, 더 큰 출발점을 얻었을 수 있다. 19
2. 급성장: 고밀도 가스는 빠른 물질 흡수를 지속시키거나 가릴 수 있으며, MoM-BH*-1처럼 성장 중인 블랙홀을 작고 붉은 광원으로 보이게 할 수 있다. 1
3. 병합: 가까운 쌍과 상호작용하는 모은하 환경은 가스 유입을 촉진하고, 장차 블랙홀 병합이 일어날 기회를 만들 수 있다. 40

이 경로는 우주가 태어난 첫 순간에 형성된 블랙홀이 엄청나게 많아야 한다는 가정에 덜 의존한다. 그러나 여전히 가스를 효율적으로 모으면서도 보통의 별 형성으로 가스가 잘게 분열하는 것을 제한할 수 있는, 매우 특이한 초기 환경을 요구한다.

무엇이 결론을 가를까

다음 단계는 관측 검증이다. 분광 관측은 더 많은 작은 붉은 점 쌍이 실제로 물리적으로 연결돼 있는지, 두 구성원이 모두 물질 흡적과 부합하는 흔적을 보이는지 판별할 수 있다. 더 큰 표본은 가까운 동반체가 충분히 흔한지, 그래서 병합이 주요 성장 경로인지 가늠하게 해줄 것이다.

또한 더 정밀한 스펙트럼은 고밀도 가스에 싸인 블랙홀 모형과 극단적인 별 또는 매우 조밀한 은하라는 대안적 설명을 구분하는 데 도움이 된다.

현시점에서 가장 신중하면서도 유용한 결론은 이렇다. JWST는 초기 블랙홀의 탄생과 성장에 해당하는 여러 단계를 한꺼번에 보고 있을 수 있다. 무거운 씨앗, 가스에 묻힌 흡적, 상호작용과 병합은 서로 배타적인 답이 아니라 상호 보완적인 가능성이며, 아직 모든 작은 붉은 점을 설명하는 단일한 기원 이야기는 아니다.