제임스 웹이 포착한 ‘블랙홀 별’ 후보…MoM-BH*-1의 정체는?

MoM-BH*-1은 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 ‘Mirage or Miracle’ 조사에서 포착한 초기 우주의 매우 밝고 компакт한 천체다. 우리가 보는 빛은 빅뱅 이후 약 6억 6,000만 년이 지난 시점에 방출된 것으로 추정된다.

천문학자들이 주목하는 이유는 이 천체가 평범한 별처럼 보이면서도, 에너지를 만들어내는 방식은 블랙홀에 더 가까워 보이기 때문이다. 현재 가장 유력한 해석은 빠르게 물질을 끌어들이는 블랙홀이 고밀도 수소 가스층에 둘러싸여 별처럼 빛나는 ‘블랙홀 별(black hole star)’ 모델이다.

다만 이 별명은 블랙홀과 별이 실제로 하나의 전통적인 별 내부에 결합해 있다는 뜻이 아니다. JWST가 직접 블랙홀을 촬영한 것도 아니다. 관측된 밝기와 색, 스펙트럼을 물리 모델과 비교했을 때 가장 잘 맞는 설명이라는 의미에 가깝다.

일반적인 별로 보기 어려운 이유

태양을 비롯한 보통의 별은 중심부에서 일어나는 핵융합으로 빛난다. 하지만 MoM-BH*-1의 추정 에너지 방출량은 물리적으로 가능한 핵융합 별의 범위를 크게 넘어선다. 알려진 어떤 별보다도 약 1,000억 배 많은 에너지를 내는 것으로 표현될 정도다.

이 정도의 출력을 내려면 별 내부의 핵융합보다, 물질이 블랙홀 쪽으로 떨어질 때 중력 에너지가 방출되는 과정이 더 자연스럽다. 가스가 블랙홀 주변으로 빠르게 유입되면서 발생한 에너지가 천체 전체를 밝히는 동력원일 수 있다는 뜻이다.

스펙트럼도 독특하다. MoM-BH*-1에서는 매우 깊은 발머 단절(Balmer break), 넓고 복잡한 수소 방출선, 강한 발머 흡수선이 관측된다. 또한 수소와 헬륨보다 무거운 원소의 흔적은 거의 보이지 않는다. 이러한 특징은 방해받지 않은 일반적인 별빛이나 익숙한 활동성 은하핵보다는, 매우 조밀하고 격렬하며 상대적으로 원시적인 가스 환경을 가리킨다.

‘블랙홀 별’은 어떤 모습일까

제안된 모델에서는 약 10만 태양질량의 블랙홀이 주변 물질을 빠르게 먹어 치운다. 블랙홀로 떨어지는 가스는 중력 에너지를 방출하며 뜨거워지고, 블랙홀을 둘러싼 고밀도 가스층을 가열한다.

이 가스층은 별의 표면처럼 빛이 빠져나오는 ‘유사 광구(pseudo-photosphere)’를 형성할 수 있다. 따라서 중심에서 실제 핵융합이 일어나지 않더라도, 바깥에서 보면 전체 구조가 작고 밝은 붉은 별처럼 보인다. 중심의 동력원은 핵융합이 아니라 물질의 강착인 셈이다.

블랙홀과 조밀한 수소 외피를 결합한 모델은 단순한 별 모델보다 MoM-BH*-1의 밝기와 색을 더 잘 재현하는 것으로 보고됐다. 가스 외피의 규모는 대략 태양계 정도로 추정되지만, 정확한 크기와 구조는 어떤 모델을 적용하느냐에 따라 달라질 수 있다.

붉은 색이 반드시 먼지 때문일 필요도 없다. 중심 블랙홀에서 나온 복사가 주변 가스에 흡수되고, 산란되며, 다시 방출되는 과정에서 빛의 일부가 더 긴 파장으로 이동할 수 있다. 이처럼 가스 자체가 빛을 ‘붉게’ 보이게 만들 수 있다는 설명이다.

JWST의 ‘작은 빨간 점’과 어떤 관련이 있나

JWST는 초기 우주에서 작고 붉으며 밝은 천체들을 다수 발견했다. 이들은 관측 이미지에서 작은 빨간 점처럼 보여 ‘작은 빨간 점(little red dots)’이라는 이름으로 불린다. 크기는 작아 보이지만 밝기와 스펙트럼이 특이해, 실제 정체를 두고 논의가 이어지고 있다.

MoM-BH*-1이 중요한 까닭은 중심 블랙홀에서 나오는 빛이 숙주 은하의 빛을 압도할 만큼 강해, 동력원을 비교적 분명하게 연구할 수 있다는 점이다. 만약 비슷한 가스에 둘러싸인 강착 현상이 젊은 은하 안에서도 일어난다면, 더 희미한 작은 빨간 점 가운데 일부 역시 별이 아니라 가스 외피에 싸인 성장 중인 블랙홀일 수 있다.

이 해석은 초기 우주에서 어떻게 거대한 블랙홀이 그렇게 빨리 성장했는지를 이해하는 데도 단서를 제공할 수 있다. 조밀한 가스 외피가 있다면 씨앗 블랙홀이 빠른 속도로 물질을 모으는 환경이 만들어질 가능성이 있기 때문이다. 그러나 MoM-BH*-1 하나만으로 훗날의 초대질량 블랙홀까지 이어지는 전체 성장 과정을 입증할 수는 없다.

왜 X선은 잘 보이지 않을까

외부에 가려지지 않은 상태로 빠르게 물질을 먹는 블랙홀이라면 강한 고에너지 복사, 특히 X선을 내놓을 것으로 예상된다. 하지만 MoM-BH*-1처럼 두꺼운 가스 외피가 블랙홀을 감싸고 있다면 상황이 달라진다.

블랙홀 가까이에서 만들어진 X선은 가스층 안에서 흡수되거나 여러 차례 산란될 수 있다. 그 과정에서 에너지 일부가 더 낮은 에너지의 자외선이나 적외선 복사로 재분배된 뒤 바깥으로 빠져나갈 수 있다.

이 모델은 왜 이런 천체가 JWST의 적외선 관측에서는 밝게 보이면서도 X선에서는 희미하거나 검출되지 않는지 설명할 수 있다. 다만 이는 모든 사라진 X선이 실제로 가스에 의해 재처리됐다는 직접 측정이 아니라, 가스에 둘러싸인 블랙홀 모델과 부합하는 해석이다.

아직 확정된 새로운 천체 분류는 아니다

‘블랙홀 별’이라는 결론은 직접 관측이 아니라 간접적인 추론에 기반한다. JWST가 측정한 것은 MoM-BH*-1에서 온 빛이며, 블랙홀이 가스 외피 안에 있는 모습을 직접 분해해 촬영한 것은 아니다. 현재의 스펙트럼 역시 모든 대안 설명을 단 하나의 특징만으로 배제할 만큼 결정적이지는 않다.

조밀한 은하, 특이한 가스와 먼지, 별 집단, 가려진 블랙홀 활동이 복합적으로 작용했을 가능성도 관측 자료와 대조해 검증해야 한다. 따라서 현재로서는 ‘가장 설득력 있는 설명’이라고 말할 수 있지만, 확정적인 천체 분류라고 부르기는 이르다.

추가 JWST 관측은 모델이 예측하는 스펙트럼 특징을 확인하고, 가스의 밀도와 조성, 천체의 크기와 변동성을 더 정확히 측정하는 데 도움이 될 수 있다. 또 다른 작은 빨간 점들과 비교하면 MoM-BH*-1이 매우 드문 과도기적 천체인지, 아니면 우주 초기에 널리 존재했던 가스 포위 블랙홀 집단의 사례인지도 확인할 수 있다.

결론

MoM-BH*-1은 현재까지는 ‘블랙홀 별’ 후보로 이해하는 것이 가장 적절하다. 약 10만 태양질량의 빠르게 성장하는 블랙홀이 조밀한 수소 외피에 싸여 있으며, 이 외피가 중심의 강착 에너지를 별빛과 비슷한 형태로 바꿔 내보낸다는 그림이다. 극단적인 밝기와 특이한 발머선 특징은 이 해석을 뒷받침하고, 가스 외피는 붉은 색과 약한 X선 신호도 설명할 수 있다.

그러나 지금 단계에서 이는 관측과 모델 비교를 바탕으로 한 유력한 가설이지, 새롭게 확립된 천체 종류의 직접 확인은 아니다. 앞으로의 JWST 관측이 이 흥미로운 ‘별 같은 블랙홀’의 정체를 가려낼 핵심 시험대가 될 전망이다.