초기우주 별 '느린 충돌' 모여 초대질량 블랙홀 형성

제임스웹 우주망원경으로 관측한 '작은 빨간 점'의 상상도. NASA 제공

초대질량 블랙홀이 우주를 구성하는 물질이 매우 높은 밀도로 모여 있던 빅뱅 이후 얼마 지나지 않은 시점에 별이 느리게 충돌하고 합쳐지면서 형성됐다는 연구결과가 나왔다. 오랜 기간 풀리지 않은 수수께끼였던 초대질량 블랙홀의 기원을 밝힐 실마리가 될 것으로 기대된다.

미국 로스앤젤레스캘리포니아대(UCLA) 물리천문학과 연구팀은 제임스웹우주망원경(JWST)의 관측 데이터를 분석해 빅뱅 이후 얼마 지나지 않은 초기 우주의 별은 밀도가 극도로 높아 서로 빈번하게 충돌하면서 초대질량 블랙홀을 형성했다는 연구결과를 26일(현지시간) 국제학술지 '미국천문학회지'에 발표됐다. 

우리가 지구에서 관측하는 별빛은 지구와 별의 거리에 따라 다른 시간대의 별을 보여준다. 빛의 속도로 1년 나아가야 하는 거리인 '1광년' 떨어진 별을 관찰할 때는 사실 그 별의 1년 전 모습을 보고 있는 셈이다. 

제임스웹 우주망원경은 아주 멀리 떨어진 별도 높은 해상도로 관측할 수 있다. 더 멀리 떨어진 별을 관측할수록 더 오래전 우주의 모습이 드러난다. 

제임스웹 우주망원경으로 초기 우주를 관측하면 작고 붉은 빛을 내는 미확인 천체를 확인할 수 있다. '작은 빨간 점(LRD·Little Red Dot)'이라 불리는 이 천체는 반지름이 1280광년 이하로 매우 작고 밀집된 특성을 띤다. 

연구팀은 LRD 관측 결과와 이론적 모델을 연결한 시뮬레이션을 통해 LRD가 별들 사이의 충돌이 빈번하게 일어나는 고밀도의 성단일 것으로 추정했다. 

시뮬레이션 결과 우주를 구성하는 물질은 매우 높은 밀도로 모여 있어 별들이 서로 빈번하게 충돌했던 것으로 나타났다. 

별의 충돌은 매우 빠른 속도로 일어나 별을 파괴하거나 상대적으로 느린 속도로 일어나 두 별이 하나로 합쳐지는 두 방식으로 이뤄졌을 것으로 보인다. 

연구팀은 별이 충돌해 계속 합병되면 하나의 거대한 별이 만들어지며 이 별이 붕괴해 거대한 블랙홀이 되었을 것이라고 설명했다. 이후 블랙홀 주변에서 빠르게 충돌한 별들이 파괴되면서 고밀도의 가스 환경이 조성될 수 있다. 연구팀은 이 환경이 LRD의 특성을 설명할 가능성도 제시했다.

연구에 참여한 클레어 윌리엄스 UCLA 물리천문학과 연구원은 "성단 내부에서 별이 반복적으로 합쳐지면서 성단 전체의 질량에 맞먹는 하나의 거대한 별을 형성할 수 있다는 점이 놀라웠다"며 "이처럼 거대한 별이 수명을 다하면 자체 중력으로 붕괴해 거대한 블랙홀을 형성할 수밖에 없다"고 말했다. 

연구를 이끈 스마다르 나오즈 UCLA 물리천문학과 교수는 "LRD는 현재 천문학계에서 가장 뜨거운 연구 주제 중 하나"라며 "우리 연구는 LRD를 이해하려는 다양한 연구들을 종합해 이 천체의 비밀을 밝히는 데 도움이 될 것"이라고 말했다. 
 

[김소연 기자 lecia@donga.com]