"은하보다 블랙홀이 먼저?"…별보다 2배 무거운 블랙홀 측정

Abell2744-QSO1 블랙홀 주변 가스 원반 상상도. 붉은 쪽은 멀어지는 가스, 푸른 쪽은 다가오는 가스를 나타낸다. Jiarong Gu 제공

우주 탄생 약 7억 년 뒤 존재했던 초기 은하에서 블랙홀 질량을 직접 측정한 연구 결과가 나왔다. 블랙홀 질량이 블랙홀을 품은 은하의 별 질량보다 약 2배 더 큰 것으로 확인돼 일부 블랙홀이 은하보다 먼저 형성·성장했을 가능성이 제기된다.

이그나스 유오드즈발리스 영국 케임브리지대 연구원팀은 제임스웹우주망원경(JWST)으로 관측된 초기 우주 천체 'Abell2744-QSO1'을 분석해 27일(현지시각) 국제학술지 네이처에 발표했다.

Abell2744-QSO1은 망원경 영상에서 붉고 작은 점처럼 보여 '리틀 레드 닷(little red dot)'으로 분류되는 천체군 가운데 하나다. 제임스웹우주망원경 초기 관측에서 리틀 레드 닷이 다수 발견된 이후 정체를 둘러싼 논쟁이 이어졌다. 초거대질량 블랙홀이라는 주장이 제기됐으나 기존 추정법이 블랙홀 질량을 크게 과대평가했을 수 있다는 지적도 나왔다.

연구팀은 블랙홀 주변을 소용돌이치는 가스의 회전 속도를 측정해 블랙홀 질량을 산출했다. 블랙홀에 가까울수록 가스 회전 속도가 빨라진다는 원리를 활용했다. 행성이 태양 주위를 공전할 때 태양 중력이 클수록 공전 속도가 빨라지는 원리와 같다. 

거대한 천체의 중력은 주변을 지나는 빛을 휘게 만든다. Abell2744-QSO1은 지구와 블랙홀 사이에 위치한 거대 은하단이 일종의 우주 돋보기 역할을 해 블랙홀을 실제보다 6배 이상 확대해 보여줬다. 연구팀은 중력렌즈 효과를 활용해 먼 우주 천체를 더 정밀하게 관측했다. 

분석 결과 블랙홀 질량은 태양 질량의 약 5000만 배로 산출됐다. 같은 은하 별 전체 질량은 태양 질량의 2000만 배 미만으로 블랙홀 질량의 절반에도 미치지 못했다. 블랙홀 질량이 같은 은하 별 전체 질량의 2배를 넘는 셈이다. 

통상적으로 블랙홀 질량은 은하 별 전체 질량보다 훨씬 작다. Abell2744-QSO1은 반대로 블랙홀이 별보다 2배 이상 무겁다. 현재 우주에서 관측되는 일반적인 비율보다 1000배 이상 극단적인 사례다. 

연구팀은 해당 블랙홀이 은하보다 먼저 형성됐거나 초기 우주에서 매우 빠른 속도로 성장했을 가능성이 있다고 해석했다.

이번 연구는 초기 우주 블랙홀 질량을 직접 측정한 첫 사례 중 하나다. 블랙홀 형성 초기 과정을 이해하는 단서가 될 것으로 기대된다. 연구팀은 모델과 분석의 정밀도를 높이기 위한 추가 연구가 필요하다고 밝혔다.

<참고자료>
doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4

[조가현 기자 gahyun@donga.com]