【정견뉴스】
스페이스닷컴(space.com)의 2026년 5월 28일 보도에 따르면, ‘작은 붉은 점(Little Red Dots)’이라 불리는 고대 은하에 대한 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 최신 연구가 “블랙홀과 숙주 은하 중 무엇이 먼저 태어났는가?”라는 오랜 질문에 마침내 답을 제시할지도 모른다. 제임스 웹 망원경의 이번 연구는 블랙홀이 어떻게 성장하는지에 대한 기존의 인식을 완전히 뒤엎을 가능성이 있다.
제임스 웹 망원경은 2022년 ‘작은 붉은 점’들을 처음으로 관측했다. 당시 천문학자들은 이것이 지금까지 본 적 없는 새로운 유형의 은하일 수 있다고 직감했다. 과학자들은 이 신비로운 천체들이 우주 초기에 매우 흔하게 존재했으나, 빅뱅 이후 약 15억 년이 지난 시점부터는 사라진 것으로 보인다는 사실을 발견했다. 그러나 ‘작은 붉은 점’은 JWST가 과학계에 던진 유일한 우주적 수수께끼가 아니었다.
제임스 웹 우주망원경(JWST)의 근적외선 카메라(NIRCam)가 촬영한 사진에 ‘작은 빨간 점(Little Red Dot)’으로 불리는 천체 Abell2744-QSO1의 모습이 포착되었다. 이 천체는 거대 은하단인 Abell 2744(판도라 은하단)의 강력한 중력렌즈 효과에 의해 그 모습이 확대되었을 뿐만 아니라, 세 개의 이미지(3중상)로 분리되어 나타났다. 사진 출처: 미국 항공우주국(NASA) / 유럽우주국(ESA) / 캐나다우주국(CSA) / 루카스 푸르탁(Lukas Furtak, 이스라엘 본구리온 대학교) 영상 처리: 알리사 파간(Alyssa Pagan, 우주망원경과학연구소(STScI))
이 100억 달러짜리 우주망원경은 우주 탄생 후 10억 년이 채 되지 않은 시점에 이미 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 무수히 존재한다는 사실을 포착해 냈다. 이는 기존 천문학계에 당혹스러운 결과였다. 물질을 집어삼키고 서로 병합하며 초대질량 블랙홀로 성장하는 과정에는 최소 10억 년 이상의 시간이 걸린다고 여겨져 왔기 때문이다.
‘작은 붉은 점’ 은하에 대한 이번 새로운 연구는, 초대질량 블랙홀이 별처럼 수백만 년 동안 진화한 뒤 붕괴하여 항성급 블랙홀이 되는 단계를 거치지 않고 ‘직접’ 탄생했을 가능성을 시사한다. 이는 초기 초대질량 블랙홀들이 성장을 위해 숙주 은하로부터 막대한 양의 가스와 먼지를 흡수할 필요가 없었음을 의미한다. 즉, 이 블랙홀들은 자신을 감싸 안을 최종적인 ‘숙주’ 은하가 형성되기 전부터 이미 그 자리에 존재하고 있었을지 모른다는 결론에 도달한다.
연구팀의 일원이자 영국 캠브리지 대학교의 로베르토 마이올리노(Roberto Maiolino) 교수는 성명을 통해 “이것은 놀라운 발견”이라며, “블랙홀의 형성과 성장에 관한 고전적 이론을 완전히 뒤엎는 패러다임의 전환”이라고 밝혔다. 연구팀의 성과는 지난 수요일(5월 27일) 국제 학술지 《네이처(Nature)》와 《왕립천문학회 월간보고(MNRAS)》에 각각 게재되었다.
연구진은 결론을 도출하기 위해 빅뱅 이후 7억 년 시점에 존재했던 ‘Abell2744-QSO1(이하 QSO1)’이라는 번호의 작은 붉은 점을 집중 연구했다. QSO1은 ‘중력렌즈(Gravitational lensing)’라고 불리는 현상 덕분에 다른 작은 붉은 점들에 비해 훨씬 연구하기가 수월했다. 중력렌즈는 거대한 질량을 가진 천체가 지구와 더 멀리 떨어진 배경 천체 사이에 위치할 때 발생한다. 빛이 이 중간 천체(즉, ‘렌즈’ 천체)를 통과할 때, 렌즈 천체가 시공간을 왜곡하면서 빛의 경로가 휘어지게 된다. 빛이 렌즈 천체에 가까워질수록 휘어짐의 정도가 커지며, 결과적으로 배경 천체의 밝기가 증폭된다. QSO1의 경우, 거대 은하단인 Abell 2744(판도라 은하단)의 중력렌즈 효과를 톡톡히 받았다.
연구진은 당초 QSO1이 수소와 헬륨 가스 구름에 둘러싸인 태양 질량 4,000만 배 규모의 초대질량 블랙홀일 것으로 추정했다. 그러나 당시에는 이 블랙홀의 질량을 완전히 확신할 수 없었다.
캠브리지 대학교 연구팀의 프란체스코 데우제니오(Francesco D’Eugenio) 박사는 “그동안 초기 우주 블랙홀의 질량 측정은 모두 우리 은하 주변의 근처 우주를 바탕으로 세운 가정에 기반한 간접적인 방식이었다”며, “이러한 가정들이 정말 먼 우주에도 똑같이 적용되는지는 알지 못했다”라고 설명했다.
연구팀은 만약 QSO1의 블랙홀 중심부 질량이 당초 예상만큼 거대하다면, 그 거대한 질량이 주변을 회전하는 가스의 운동에 그대로 반영될 것이라고 추론했다. 이에 제임스 웹 망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 이용해 주변 가스의 운동 지도를 작성했다. 그 결과 가스들이 태양계 행성들이 태양을 도는 것과 흡사하게 중심점을 기준으로 공전하고 있음을 발견했다. 천문학에서는 이를 ‘케플러 운동’이라고 부른다.
캠브리지 대학교의 공동 연구 책임자인 이그나스 유오즈발리스(Ignas Juodžbalis)는 “이것이 중요한 이유는 QSO1의 질량 대부분이 중심 블랙홀에 집중되어 있음을 말해주기 때문”이라며, “만약 많은 별이 모여 있는 것처럼 질량이 사방으로 분산되어 있었다면 가스가 이토록 완벽한 케플러 회전 운동을 보이지 않았을 것이다”라고 말했다.
이로써 연구팀은 인류 최초로 QSO1 중심 블랙홀의 질량을 직접 측정하는 데 성공했다.
마이올리노 교수는 “경이로운 결과”라고 덧붙이며, “빅뱅 이후 10억 년 이내에 탄생한 블랙홀의 질량을 직접 측정한 것은 이번이 처음이며, 이는 이전의 간접 측정 결과들과도 일치한다”라고 설명했다.
측정 결과 태양 질량의 5,000만 배에 달하는 이 초대질량 블랙홀은 이 작은 붉은 점 전체 질량의 무려 66%를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 이 비율은 우리 은하가 속한 국부은하군 내의 초대질량 블랙홀과 은하 질량 간의 비율보다 수천 배나 높은 수치다. 이는 해당 블랙홀이 붕괴한 별이 주변 은하를 서서히 집어삼키며 형성된 것이 아님을 강력히 시사한다. 즉, 블랙홀은 태어날 때부터 이미 거대했으며, 현재 그 주변에 물질들이 모여들며 장차 은하로 발전할 구조를 형성하는 과정에 있다는 의미다.
QSO1 블랙홀의 형성 방식을 둘러싼 많은 수수께끼는 여전히 베일에 싸여 있다. 연구팀은 이 블랙홀이 거대한 가스와 먼지 구름이 한 번에 붕괴하며 생긴 ‘무거운 씨앗(heavy seed)’에서 기원했을 가능성을 염두에 두고 있다. 혹은, 우리가 아직 발견하지 못한 모종의 물리적 과정을 통해 빅뱅의 아주 초기 단계에서 직접 탄생했을 수도 있다.
자료 출처: https://www.space.com/astronomy/black-holes/james-webb-space-telescope-discovers-a-black-hole-that-formed-before-its-host-galaxy-scientists-arent-sure-how
원문위치: https://www.zhengjian.org/node/302947