은하보다 먼저 태어난 괴물: 제임스 웹이 포착한 50억 태양 질량의 '벌거벗은' 블랙홀

가스 회전 곡선은 점질량 모델에 깔끔하게 부합했으며, 확장된 핵성단 모델은 5시그마 이상의 통계적 유의성으로 기각되었습니다 . 가장 선호되는 모델에서 블랙홀의 질량은 log(MBH/M☉) = 6.75 ± 0.15로 측정되어, 태양 질량 5천만 배의 거대 천체라는 사실이 확정되었습니다 .

오염되지 않은 연료와 사라진 은하

QSO1이 정말로 혁명적인 이유는 그 크기뿐만이 아닌 그 주변 환경 때문입니다. 연구팀은 핵심 진단 지표인 좁은 Hβ 방출선 대비 [OIII]5007 방출선이 유난히 약하다는 점을 측정했습니다. 이는 중심부 가스의 중원소 함량, 즉 금속성이 태양의 1% 미만임을 의미합니다 . 천문학에서 무거운 원소(금속)는 별 내부에서 생성되어 초신성 폭발을 통해 흩뿌려집니다. 수소와 헬륨으로만 지배된 이렇게 청정한 화학 조성은 이 천체계가 이전에 별 형성을 거의 경험하지 않았다는 결정적인 증거입니다 .

태양 질량의 5천만 배인 블랙홀과 2천만 배 미만의 항성 질량이라는 극단적인 비율을 종합하면, 한 가지 결론이 분명해집니다. 바로 블랙홀이 먼저 생겨나 거대해졌고, 모은하는 그 후에야 비로소 유의미한 별들을 형성할 기회를 얻었다는 것입니다 . 이 블랙홀이 지금 삼키고 있는 가스는 이전 세대의 별들에 의해 전혀 오염되지 않은 원시적 물질인 셈입니다.

'무거운 씨앗'과 '가벼운 씨앗': 기원 이야기를 다시 쓰다

블랙홀 형성의 표준 모델은 '가벼운 씨앗(light seed)', 즉 거대한 별이 죽고 남긴 항성 질량 블랙홀에서 시작합니다. 그런 씨앗이 7억 년도 안 되는 시간 동안 태양 질량의 5천만 배까지 성장하려면 이론적으로 거의 불가능에 가까운, 지속적인 초에딩턴 강착(super-Eddington accretion)이 필요합니다. QSO1의 존재는 다른 출발점, 즉 처음부터 거대했던 **'무거운 씨앗(heavy seed)'**을 요구합니다 .

이를 설명하기 위한 두 가지 유력한 후보 이론이 떠오르고 있습니다. 첫 번째는 직접 붕괴 블랙홀(Direct Collapse Black Hole) 모델로, 오염되지 않은 거대한 가스 구름이 항성 단계를 완전히 건너뛰고 중력 붕괴하여 태양의 1만 배에서 10만 배 질량의 블랙홀을 바로 형성한다는 이론입니다 . 두 번째, 그리고 아마도 더 급진적인 설명은 빅뱅 후 1초 이내에 발생한 양자 밀도 요동으로 형성되었을 가상의 천체인 **원시 블랙홀(Primordial Black Hole, PBH)**을 상정합니다 .

원시 블랙홀이 청정 역설을 설명하는 방식

QSO1의 관측된 특성을 토대로 원시 블랙홀 씨앗 이론을 검증하기 위해 설계된 일련의 이론적 모델들은 매우 설득력 있는 내러티브를 제시합니다 . 이 시뮬레이션들에 따르면, 원시 블랙홀은 암흑 물질 헤일로(Dark Matter Halo)의 중력적 닻 역할을 하며 구조 형성을 자연스럽게 가속화합니다. 그러나 강착하는 원시 블랙홀의 열적, 기계적 피드백이 은하의 진화를 근본적으로 바꿔 놓습니다.

강착 과정은 주변 가스를 가열하고 중심부에서 물질을 밀어내는 강력한 외부 유출(아웃플로우)을 일으킵니다. 이 피드백은 우주 나이가 수억 년이 될 때까지 본격적인 별 형성의 시작을 지연시키며, 짧고 폭발적인 별 생성 에피소드만을 허용합니다 . 결정적으로, 이 유출 순환은 금속성 퍼즐에 대한 우아한 해결책을 제공합니다. 가장 처음 태어난 별들인 '종족 III 항성(Population III Stars)'이 밀도가 높은 영역에서 일시적으로 형성될 수 있지만, 그들의 짧은 수명은 주변 가스를 금속으로 오염시킵니다. 바로 그때 원시 블랙홀의 유출이 이 금속이 풍부한 가스를 밀어내는 한편, 깨끗한 은하간 매질로부터의 지속적인 유입이 신선한 수소와 헬륨을 공급하여 중심부를 계속 채우는 것입니다 .

그 결과는 중심부의 금속 함량을 태양의 1% 미만으로 계속 희석시키는 역동적인 '희석 순환(Dilution Cycle)'입니다. 이는 JWST의 관측 결과와 완벽하게 일치할 뿐만 아니라, 천문학자들을 당혹스럽게 했던 블랙홀과 별의 극단적인 질량비도 동시에 만들어냅니다 .

다음 단계: 특이점인가, 새로운 개체군인가

QSO1은 단 하나의 데이터 포인트일 뿐이지만, 이것이 특이점(아웃라이어)은 아닐 수 있습니다. QSO1을 탄생시킨 바로 그 '작은 붉은 점' 개체군에는 같은 우주 시대의 비슷하게 작고 붉게 빛나는 천체들이 수백 개 더 포함되어 있습니다 . 연구팀은 이제 자신들의 직접 질량 측정 기법을 다른 후보 천체들에도 적용하여, 초대질량 블랙홀이 은하보다 먼저 존재하는 현상이 일반적인지 확인하는 작업에 착수했습니다 .

QSO1 연구의 중요한 성과 중 하나는 이번에 얻은 직접 역학 질량이 전통적인 간접 측정 방식인 '단일 시기 비리얼 질량(single-epoch virial mass)' 추정치와 잘 일치한다는 점입니다 . 이 검증은 매우 중요한데, 이는 다른 수많은 작은 붉은 점들에 대한 기존 간접 질량 추정치들이 대체로 신뢰할 수 있으며, 모든 개체군을 설명하기 위해 더 이국적인 가설을 도입할 필요가 줄어든다는 점을 시사하기 때문입니다 . 연구팀은 하나의 천체가 전체를 대표하지는 않는다고 조심스러운 입장을 견지하지만, 초대질량 블랙홀 형성의 수수께끼를 풀기 위한 길은 이제 JWST의 직접적인 빛줄기에 의해 밝혀졌습니다 .