제임스 웹이 포착한 ‘블랙홀 별’ 후보, MoM-BH*-1

별처럼 보이지만, 에너지원은 블랙홀일 수 있다

MoM-BH*-1은 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 ‘미라지 또는 미라클(Mirage or Miracle, MoM)’ 관측에서 발견된 매우 밝고 작아 보이는 붉은 천체다. 우리가 받는 빛은 우주가 탄생한 지 약 6억6,000만 년밖에 지나지 않았을 때 방출된 것으로 추정된다. 이 천체가 내는 에너지는 알려진 별보다 약 1,000억 배에 이르는 규모로 보인다.

천문학자들이 주목한 해석은 **‘블랙홀 별(black hole star)’**이다. 이름은 별이지만, 일반적인 별처럼 중심에서 핵융합으로 에너지를 만드는 천체는 아니다. 대신 물질을 빠르게 끌어들이는 블랙홀이 조밀한 수소 가스층에 둘러싸여, 바깥에서는 거대한 붉은 별처럼 보이는 구조를 뜻한다.

왜 평범한 별로 설명하기 어려울까

천문학자들은 블랙홀을 직접 촬영해 확인한 것이 아니다. JWST가 측정한 밝기와 색, 스펙트럼을 여러 물리 모형과 비교해 가장 잘 들어맞는 설명을 찾았다.

MoM-BH*-1이 일반적인 별이나 별 무리와 다르다고 여겨지는 이유는 다음과 같다.

• 밝기가 지나치게 강하다. 관측된 에너지 방출량은 알려진 별이 핵융합만으로 낼 수 있는 수준을 크게 넘어선다.
• 발머 불연속이 유난히 깊다. 스펙트럼에서 수소와 관련된 이 경계의 세기는 약 7.7로 측정됐다. 이는 먼지가 없는 일반적인 별 집단에서 예상되는 한계를 넘고, A형 별이 지배적인 집단에서 기대되는 값보다도 크다.
• 먼지의 뚜렷한 흔적 없이 붉다. 스펙트럼에는 수소와 헬륨보다 무거운 원소가 거의 보이지 않는다. 따라서 먼지가 빛을 붉게 만들었다고 보는 것보다, 특수한 고밀도 가스 환경이 색을 결정한다고 해석하는 편이 자연스럽다.
• 작아 보이지만 별의 기준으로는 엄청나게 크다. 빛을 내는 외피는 일반적인 별이 아니라 태양계에 맞먹는 크기로 모델링됐다.

이 특징들을 함께 보면, MoM-BH*-1의 빛은 보통의 별들이 모여서 내는 빛이라기보다 에너지가 밀도 높은 가스층 안에서 흡수되고 산란된 뒤 다시 방출되는 과정에서 만들어졌을 가능성이 커진다.

‘블랙홀 별’은 어떻게 빛날까

제안된 모형에서 MoM-BH*-1의 중심에는 태양 질량의 약 10만 배인 블랙홀이 있다. 그 주위를 무거운 원소가 거의 없는 조밀한 수소 외피가 감싸고 있으며, 외피의 크기는 대략 태양계 규모다.

가스가 블랙홀로 떨어지면 중력에너지가 방사선으로 바뀐다. 블랙홀이 외부로 드러난 일반적인 강착원반이라면 고에너지 복사가 직접 빠져나올 수 있지만, MoM-BH*-1처럼 가스가 매우 두꺼우면 상황이 달라진다. 가스가 복사를 흡수하고 산란시키며, 더 긴 파장의 빛으로 바꿔 내보낼 수 있다.

그 결과 블랙홀 주변에는 **‘유사 광구(pseudo-photosphere)’**가 형성된다. 실제 중심부는 강력한 에너지원이지만, 바깥에서 관측하면 온도가 낮고 붉은 별의 표면처럼 보이는 것이다. 이 구조는 별과 비슷한 외관과 엄청난 에너지 방출을 동시에 설명할 수 있다. 조밀한 수소층은 이례적으로 깊은 발머 불연속을 만드는 데에도 기여할 수 있다.

JWST의 ‘리틀 레드 닷’과 어떤 관련이 있을까

JWST는 초기 우주에서 작고 붉게 보이는 천체를 다수 발견했다. 천문학자들은 이를 **‘리틀 레드 닷(little red dots)’**이라고 부른다. 크기가 작아 보이고 스펙트럼도 독특하지만, 실제 정체는 아직 분명하지 않다.

블랙홀 별 가설은 이 천체들의 기원을 설명할 수 있는 한 가지 가능성을 제시한다. 일부 리틀 레드 닷이 두꺼운 가스 외피에 싸인 블랙홀의 더 젊거나 작고 덜 밝은 형태일 수 있다는 것이다. MoM-BH*-1은 중심 블랙홀이 주변의 모은하보다 훨씬 밝게 보이는 특히 두드러진 사례일 수 있다.

이 모형은 리틀 레드 닷에서 엑스선이 잘 검출되지 않는 이유도 설명할 가능성이 있다. 외부로 드러난 활동성 블랙홀은 보통 고에너지 복사를 내지만, 충분히 두꺼운 수소 외피가 있다면 그 복사의 상당 부분을 가두거나 흡수한 뒤 가시광선과 적외선으로 재처리할 수 있다. 다만 이는 모형이 제시하는 예측이지, MoM-BH*-1에서 엑스선이 직접 측정됐다는 뜻은 아니다.

아직 ‘발견 확정’이라고 부를 수 없는 이유

JWST가 직접 관측한 것은 MoM-BH*-1의 빛과 스펙트럼이다. 블랙홀, 가스 외피, 강착 흐름을 각각 분리해 촬영한 것은 아니다. 블랙홀의 질량과 가스 구조, 에너지원은 관측 결과와 물리 모형을 비교해 추정한 값이다.

따라서 연구진은 ‘가스에 둘러싸인 블랙홀’ 모형을 가장 유력한 설명으로 제시하지만, 새로운 천체 유형이 확정됐다고 단정하지는 않는다. 극도로 무겁고 금속이 거의 없는 별이나, 다른 형태의 특이한 고밀도 가스 구조 같은 대안도 완전히 배제되지 않았다.

앞으로는 JWST의 추가 분광 관측과 비슷한 초기 우주 천체에 대한 비교 연구가 필요하다. 이를 통해 블랙홀 별 모형이 예측하는 특징이 실제로 반복되는지, 이런 천체가 하나의 집단을 이루는지, 다른 설명과 구별할 수 있는지를 확인해야 한다.

현재 MoM-BH*-1은 블랙홀처럼 에너지를 내지만 별처럼 보이는, 설득력 있는 후보 천체라고 표현하는 것이 가장 정확하다. 이 붉은 점 하나가 향후 확인된다면, 초기 우주에서 거대한 블랙홀이 어떻게 빠르게 성장했는지와 JWST가 포착한 리틀 레드 닷의 정체를 이해하는 새로운 단서가 될 수 있다.