제임스 웹이 포착한 ‘작은 붉은 점’ 네 쌍…초기 우주의 블랙홀 성장 비밀 풀리나

픽셀 속에 숨은 ‘작은 붉은 점’ 쌍

천문학자들이 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 적외선 이미지에서 초기 우주의 ‘작은 붉은 점(Little Red Dots·LRDs)’ 후보 네 쌍을 발견했다. LRD는 매우 작고 붉게 보이는 먼 천체로, 빅뱅 직후 빠르게 성장한 블랙홀을 품은 활동성 은하핵일 가능성이 제기돼 왔지만 정확한 정체는 아직 논쟁 중이다. 81

이번 연구의 핵심은 천체 전체의 밝기와 형태만 보는 대신 이미지의 각 픽셀에서 적외선 색을 분석한 데 있다. 여기에 천체가 매우 조밀해야 한다는 기존 조건을 다소 완화하면서, 서로 가까이 있어 하나의 천체처럼 뭉쳐 보이던 붉은 중심부를 구별해냈다. 네 후보 쌍 사이의 각거리 간격은 0.2~1.2초각에 불과했다. 8

분광 관측이 뒷받침한 ‘실제 이웃’ 가능성

네 쌍 가운데 두 쌍은 단순히 같은 시선 위에 우연히 겹쳐 보이는 천체가 아닐 가능성이 특히 컸다. JWST의 COSMOS-3D 무슬릿 분광 관측에서 각 쌍의 두 구성원 모두 같은 관측 파장의 방출선을 보였기 때문이다.

이 방출선이 높은 등가폭과 넓은 선폭을 가진 수소 알파선이라고 해석하면, 두 쌍의 적색편이는 각각 5.822와 5.464다. 이는 두 천체가 비슷한 시기에 존재하며 서로 물리적으로 연결돼 있을 가능성을 뒷받침한다. 8

분광 적색편이를 바탕으로 계산한 투영 분리 거리는 각각 1.64킬로파섹과 7.36킬로파섹이다. 약 5,300광년과 2만4,000광년에 해당하는 거리로, 이 계통들은 지금으로부터 약 125억~128억 년 전의 모습을 보여준다. 8

통계 분석도 우연한 겹침만으로는 설명하기 어렵다는 점을 가리켰다. 가상 관측 목록과 비교한 결과, LRD의 소규모 군집 정도는 JWST로 측정한 활동성 은하핵의 대규모 상관 신호를 단순히 외삽했을 때보다 약 20~30배 높았다. 8

블랙홀 합병의 전 단계일까

이 후보들은 이미 최종 나선운동 단계에 들어선 블랙홀 쌍으로 확정된 것은 아니다. 다만 서로 가까운 은하 또는 은하핵이 장차 합병할 가능성을 보여주는 전구체일 수 있다. 두 LRD가 실제로 물질을 빨아들이는 블랙홀을 품고 있다면, 합병 과정에서 블랙홀 질량이 합쳐지고 주변 가스가 중심부로 유입돼 추가적인 급속 성장을 촉진할 수 있다. 81

이는 초기 우주에서 어떻게 짧은 시간 안에 매우 거대한 블랙홀이 만들어졌는지를 설명하는 데 중요하다. LRD가 초기 초대질량 블랙홀 성장 단계의 후보라는 해석은 널리 논의되고 있지만, 빠른 성장을 가능하게 한 핵심 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 여러 차례의 합병과 가스 흡수가 함께 작용했다면 그 경로 중 하나가 될 수 있다. 8

합병만이 답은 아니다

또 다른 유력한 설명은 합병보다 비정상적으로 빠른 가스 유입이 성장의 주된 동력이었다는 시나리오다. 일부 모델과 분광 연구는 LRD를 광학적으로 두꺼운 고밀도 가스층 또는 ‘코쿤’에 둘러싸인 활동성 은하핵으로 해석한다. 이 가스층은 블랙홀에 연료를 공급하는 동시에 관측되는 붉은 색을 만들어낼 수 있다. 32

두 설명은 서로 배타적이지 않을 수 있다. 고밀도 가스가 합병 전후 또는 합병 중에 높은 흡수율을 가능하게 할 수 있기 때문이다. 현재 자료만으로는 초기 블랙홀 성장에서 합병과 가스 흡수가 각각 어느 정도 기여했는지 판단할 수 없다. 83

더 넓은 JWST 관측이 풀어낼 질문

더 넓고 깊은 JWST 탐사에 같은 픽셀 단위 선별법을 적용하면 LRD가 가까운 동반 천체를 거느리는 비율과 소규모 상관함수를 더 정밀하게 측정할 수 있다. 적색편이와 광도에 따라 근접 쌍의 비율이 어떻게 달라지는지도 확인할 수 있다. 8

이런 통계는 초기 블랙홀 쌍의 합병률과 질량 분포를 추정하는 데 활용될 수 있다. 나아가 향후 우주 기반 중력파 관측소인 LISA나 제안된 데시헤르츠 대역 검출기의 관측 대상과 사건 발생률 예측을 개선하는 데도 도움이 될 수 있다. 5

그러나 현재 연구가 보여주는 것은 ‘가까운 LRD 쌍이 예상보다 많다’는 강한 증거다. 실제로 합쳐지는 블랙홀이나 그들이 내는 중력파를 직접 검출했다는 뜻은 아니다. LRD의 정체와 이들이 언제, 어떻게 합병하는지는 더 많은 JWST 관측과 후속 분광 연구를 통해 확인해야 한다. 8