국제 연구팀 "빅뱅 6억6천만년 뒤 우주서 관측…고밀도 가스에 싸인 블랙홀 추정"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 빅뱅(Big Bang) 후 불과 수억 년밖에 지나지 않은 초기 우주에서 거대한 별처럼 보이지만 실제로는 초고밀도 가스에 둘러싸인 블랙홀로 추정되는 '블랙홀 별'(Black Hole Star)이 처음으로 포착됐다.

천문학자들이 빅뱅(Big Bang) 후 불과 6억6천 년밖에 지나지 않은 초기 우주에서 새로운 유형의 천체로 보이는 극도로 밝은 붉은 점 '블랙홀 별'(black hole star)을 발견했다. [Jose-Luis Olivares, MIT 제공. 재판매 및 DB 금지]

미국 매사추세츠공대(MIT) 로한 나이두 박사가 이끄는 국제 연구팀은 13일 과학 저널 네이처(Nature)에서 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 빅뱅 6억6천만년 후 우주에서 별과 블랙홀의 특성을 동시에 보이는 새로운 유형의 천체 '블랙홀 별'(MoM-BH*-1)을 발견했다고 밝혔다.

연구팀은 이 블랙홀 별 중심부에 태양 질량의 약 100만~1천만 배 크기 중심 블랙홀이 있고, 주위를 태양계 정도 크기로 초고밀도 수소 가스층이 둘러싸고 있는 것으로 보인다고 말했다.

MoM-BH*-1은 제임스 웹 우주망원경의 근적외선 카메라 영상에서 유난히 붉고 밝은 점으로 포착됐다.

이 천체는 태양계 정도 크기의 거대한 별과 비슷하지만 에너지 방출량은 알려진 어떤 별도 물리적으로 만들어낼 수 있는 것보다 1천억 배나 많은 것으로 나타났다. 이는 초대질량 블랙홀이 만들어낼 수 있는 에너지 규모에 가깝다.

또 분광 관측에서는 3~4㎛ 부근에서 빛의 세기가 20배 이상 급격히 떨어지는 강한 '발머 단절'(Balmer break)이 확인됐다. 발머 단절은 일반적으로 젊은 별이나 별 집단의 스펙트럼에서도 나타날 수 있지만, 이 천체에서 관측된 단절은 별만으로 설명할 수 있는 범위를 크게 넘어섰다.

연구팀은 MoM-BH*-1가 내뿜는 엄청난 양의 에너지나 강력한 발머 단절 등으로 볼 때, 별만으로는 이 천체의 특이한 스펙트럼을 설명하기 어렵다며 중심 블랙홀과 이를 둘러싼 극도로 조밀한 가스를 함께 고려한 모형을 제시했다.

이어 MoM-BH*-1의 정체를 밝히기 위해 다양한 조건을 적용한 수많은 분광합성 모형을 시뮬레이션해 어떤 구조가 관측 결과를 가장 잘 설명하는지 분석했다.

태양과 같은 별(왼쪽)은 핵융합을 동력원으로 하는 고밀도 가스 구라고 할 수 있다. 블랙홀(가운데)은 일반적으로 팬케이크 모양의 강착 원반을 통해 물질을 흡수하며 성장한다. 블랙홀 별(오른쪽)은 고밀도 가스에 둘러싸인 블랙홀로, 중심 강착원반에서 나온 빛이 주변 가스를 통과하면서 별과 비슷한 스펙트럼 특성을 보인다. [Rohan Naidu (University of Hawai'i) 제공. 재판매 및 DB 금지]

그 결과 태양 질량의 약 100만~1천만 배로 추정되는 중심 블랙홀이 있고 주위를 극도로 밀도가 높은 난류성 수소 가스가 둘러싸고 있을 경우, MoM-BH*-1에서 관측된 에너지 방출량과 스펙트럼 특성 등과 가장 잘 일치하는 것으로 나타났다.

연구팀은 중심의 활동성 블랙홀에서 나온 복사 에너지가 주위의 초고밀도 수소 가스층을 통과할 경우, MoM-BH*-1이 독특하게 붉은 모습을 보이는 것과 스펙트럼에서 강력한 발머 단절이 나타나는 현상 등이 잘 설명된다고 말했다.

가장 적합한 모형에서는 수소 입자 밀도가 1㎤당 약 1천억 개에 이르고, 난류 속도는 초속 약 500㎞, 블랙홀을 둘러싼 가스층 규모는 약 10~100천문단위(AU : 약 1억5천만㎞)로 나타났다.

연구팀은 이 천체를 탐사 프로그램 이름을 따 MoM-BH*-1으로 명명하고, '블랙홀 별'이라는 별칭을 붙였다. 블랙홀 별은 이 천체가 초기 단계 우주에서 고밀도 가스로 둘러싸인 채 급속히 성장하는 블랙홀일 가능성을 의미한다.

이들은 이 연구가 그동안 제임스 웹 우주망원경이 초기 우주에서 잇달아 포착한 수수께끼 천체인 '작은 붉은 점'(little red dots)의 정체를 이해하는 데 기여할 것으로 기대하고 있다.

나이두 박사는 "이 작은 붉은 점들은 초기 우주 어디에나 있는 것처럼 보이지만 현재 우주에서는 사실상 사라졌다"며 "이 천체들이 정확히 무엇인지는 제임스 웹 우주망원경 가동 이후 가장 많은 논쟁을 불러일으킨 주제 중 하나"라고 말했다.

이어 "모든 작은 붉은 점들은 일반적인 초기 은하에 있는 블랙홀 별이라고 보면 설명이 된다"며 "하지만 MoM-BH*-1이 특별한 점은 블랙홀 별이 주변의 모은하보다 훨씬 밝아 우리가 순수한 블랙홀 별의 빛을 보고 있는 셈이라는 것"이라고 덧붙였다.

◆ 출처 : Nature, Rohan Naidu et al., 'A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn', https://www.nature.com/articles/s41586-026-10846-4

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