‘아기 우주’ 한가운데 작은 붉은 점, 신기루 같은 ‘블랙홀 별’이었다

곽노필의 미래창
빅뱅 6억6천만년 후 우주서 첫 발견
중심엔 블랙홀, 외곽엔 고밀도 가스층

빅뱅 6억6천만년 후인 초기 우주에서 발견된 ‘블랙홀 별’ 상상도. 매사추세츠공대 제공

1990년 2월 미국의 천체물리학자 칼 세이건은 64억km 거리에서 보이저 1호가 촬영한 지구를 ‘창백한 푸른 점’(pale blue dot)이라고 표현했다. 이후 이는 광활한 우주 속의 연약한 존재로서의 지구를 상징하는 말이 됐다.

2022년 7월 천문학자들은 제임스웹우주망원경(JWST)이 보내온 100억광년 이상 떨어진 거리의 우주 사진에서 주변보다 유난히 밝고 선명한 붉은색 천체들을 발견하고 이를 ‘작은 붉은 점’(little red dots, LRD)으로 명명했다. 태양보다 10만배 이상 더 큰 이 천체들은 제임스웹이 관측한 우주 초기 15억년의 공간 거의 모든 영역에서 발견됐다.

이후 이 미지의 천체의 정체는 천체물리학계의 가장 뜨거운 관심사 가운데 하나가 됐다. 지난 4년간의 탐구 끝에 마침내 이 천체를 ‘블랙홀 별’(Black Hole Star)이라는 새로운 형태의 천체로 봐야 한다는 유력한 증거가 포착됐다. 블랙홀 별은 겉으로는 별처럼 보이지만 초고밀도 가스에 둘러 싸인 블랙홀이다.

미국 매사추세츠공대(MIT)가 중심이 된 국제 연구진은 제임스웹우주망원경(JWST)으로 관측한 빅뱅 6억6천만년 후의 우주에서 별과 블랙홀의 특성을 함께 갖고 있는 새로운 유형의 천체 블랙홀 별(MoM-BH*-1)을 발견했다고 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다.

별과 블랙홀, 블랙홀 별을 비교한 그림. 태양과 같은 별(왼쪽)은 중심부의 핵융합을 동력원으로 하는 고밀도 가스 덩어리이고, 블랙홀(가운데)은 팬케이크 모양의 강착 원반을 통해 물질을 흡수하며, 블랙홀 별(오른쪽)은 고밀도 가스에 둘러싸인 블랙홀이 별처럼 에너지를 방출하는 새로운 형태의 천체다. 매사추세츠공대 제공

블랙홀 질량은 태양 10만배, 전체 크기는 태양계

이 천체는 겉보기엔 태양계 크기에 필적하는 거대한 별처럼 보인다. 하지만 이 천체가 뿜어내는 에너지는 알려진 어떤 별보다 1000억배나 더 크다. 이는 핵융합으로는 불가능하고 블랙홀만이 만들어낼 수 있는 규모다.

과학자들은 이 기이한 붉은 점을 블랙홀과 별이 결합된 형태, 즉 중심부 블랙홀의 에너지로 움직이는 엄청나게 밀도 높은 가스 구름으로 결론지었다. 논문의 제1저자인 로한 나이두 박사는 “중심에는 태양 질량의 10만배에 달하는 거대한 블랙홀이 자리잡고 있고, 그 주변을 태양계 크기만 한 매우 두꺼운 가스층이 감싸고 있는 형태”라고 설명했다.

일반적인 별은 중심부의 핵융합 반응을 통해 빛을 내고, 일반적인 블랙홀은 원반 형태로 물질을 빨아들이며 성장한다. 하지만 이번에 발견된 ‘블랙홀 별’은 초기 단계의 블랙홀이 극도로 빽빽한 수소 가스에 둘러싸여 마치 별의 표면(광구)처럼 에너지를 방출하는 형태를 띤다.

이번 연구는 애초 블랙홀을 찾으려는 목적에서 시작된 것이 아니었다. 연구진은 초기 우주에서 형성된 가장 먼 은하를 찾는 ‘기적 또는 신기루’(MoM=Mirage or Miracle) 프로젝트를 수행하던 중, 주변의 다른 천체들보다 유독 붉고 밝은 점을 포착했다.

보통 우주에서 붉은빛이 관측되면 천체가 짙은 먼지에 둘러싸여 있기 때문이라고 해석한다. 먼지는 붉은색 빛보다 푸른색 빛을 더 잘 흡수하고 산란시키기 때문에 천체가 붉게 보이는 경우가 많다.

하지만 이 붉은 점의 빛 스펙트럼을 분석한 결과, 먼지 때문이 아니라 극도로 밀도가 높은 가스 덩어리라는 사실이 드러났다. 게다가 수소와 헬륨 외의 다른 금속 원소는 거의 발견되지 않았다. 또 특정 파장 이하 영역에서는 빛이 완전히 사라졌다. 이는 별의 대기에서 밀도가 높은 가스가 광자를 흡수할 때 나타나는 현상이다.

제임스웹우주망원경으로 촬영한 이 사진에서 블랙홀 별은 작은 붉은 점으로 나타난다. 제임스웹우주망원경 사진에선 이런 붉은 점들을 아주 흔하게 볼 수 있다. 매사추세츠공대 제공

구상성단 속 별들이 병합해 생긴 것으로 추정

연구진은 다양한 시나리오로 모의실험을 한 결과, 수소로 이뤄진 초고밀도 구름 안에 활발하게 물질을 흡수하는 블랙홀일 경우 이 붉은 점의 밝기와 일치한다는 것을 확인하고, 이 천체의 공식 명칭을 ‘MoM-BH*-1’, 별칭을 ‘블랙홀 별 1호’로 붙였다.

연구진은 이번 발견이 그동안 제임스웹의 심우주 관측 사진에 수없이 등장한 ‘작은 붉은 점들’의 정체를 밝히는 유력한 단서가 될 것으로 보고 있다. 다만 다른 천체들은 이 천체만큼 밝지는 않다.

나이두 연구원은 “이 블랙홀 별들은 초기 우주에는 도처에 존재했지만 현재는 거의 사라졌다”며 “특히 우리가 관측한 블랙홀 별은 빛이 주변 은하를 완전히 압도하고 있어 순수한 형태의 블랙홀 별빛을 볼 수 있는 희귀한 사례”라고 말했다.

나이두 연구원은 블랙홀 별은 초기 우주에 존재했던, 태양 질량의 수만배에 이르는 거대한 별들의 병합으로 생겨났을 가능성이 있다고 추정했다. 또 이 거대한 별들은 구상성단이라는 별 무리 속에서 작은 별들이 빠르게 충돌하여 형성되었을 것이라고 부연설명했다.

*논문 정보

A gas-enshrouded and gas-reddened black hole at cosmic dawn. Nature(2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10846-4

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr