블랙홀인가, 블랙홀 별인가? 천문학자들이 ‘작은 붉은 점’을 두고 논쟁합니다

AI 요약

James Webb Space Telescope(Webb)는 빅뱅 이후 첫 10억 년 동안 형성된 천체를 관측하기 위해 제작됐습니다. Webb가 초기 우주를 촬영하기 시작하자, 아주 작고 붉지만 은하 전체에 맞먹는 밝기를 내는 정체불명의 광원들이 반복해서 나타났습니다. 이 천체들은 Webb 이미지에서 거의 한 픽셀에 해당할 만큼 작지만 여러 관측 이미지에 등장했고, 2023년부터 연구자들은 이들을 ‘작은 붉은 점(Little Red Dots)’이라고 부르기 시작했습니다.

처음에는 이 점들이 먼 은하일 수 있다고 생각했습니다. 그러나 그렇게 밝은 은하가 빅뱅 이후 수억 년 만에 성장하려면 기존의 우주 진화 시간표로는 설명하기 어려웠고, 연구자들은 이 천체들을 ‘우주를 깨뜨리는 것들(universe breakers)’이라고 부르기도 했습니다. 이후 Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey(Rubies)를 이끈 Anna de Graaff와 Mirage 또는 Miracle(MOM)을 공동 이끈 Rohan Naidu 등은 Webb로 작은 붉은 점들을 장시간 관측하고, 각 천체에서 어떤 파장의 빛이 얼마나 나오는지 정밀하게 측정했습니다. 파장별 밝기를 나타내는 스펙트럼은 단순한 이미지보다 천체를 구성하는 원자와 물질의 움직임을 훨씬 자세히 보여줍니다.

■ 기존의 블랙홀 해석과 작은 붉은 점의 이상성

작은 붉은 점의 스펙트럼에서는 수소의 색이 하나의 좁은 파장이 아니라 여러 파장에 걸쳐 번진 ‘넓은 선(broad line)’으로 나타났습니다. 일반적으로 넓은 수소선은 블랙홀 주변의 가스가 매우 빠르게 회전하고 있다는 신호로 해석합니다. 가스 구름이 서로 다른 속도로 움직이면 각 구름이 조금씩 다른 색을 내기 때문에, 관측자는 하나의 색 대신 넓은 색 범위를 보게 됩니다. 이 범위가 넓을수록 가장 빠른 가스의 속도가 높고, 그 주변 블랙홀의 질량도 클 가능성이 있습니다.

이에 따라 많은 천문학자는 작은 붉은 점을 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀(supermassive black hole)로 해석했습니다. 블랙홀 자체는 빛을 내지 않지만, 중력으로 주변 가스와 물질을 끌어당기면서 뜨겁게 회전하는 구조를 만들고, 이 구조가 주변 별보다 훨씬 밝게 빛날 수 있습니다. 작은 붉은 점이 붉게 보이는 이유는 먼지와 가스가 푸른빛을 가리고 있기 때문으로 설명할 수 있습니다.

다만 이 천체들은 일반적인 블랙홀과도 달랐습니다. 대부분의 초대질량 블랙홀은 가스를 먹어 치우는 과정에서 밝기가 변동하고, 강한 X선을 방출합니다. 반면 많은 작은 붉은 점에서는 이런 깜박임과 X선이 뚜렷하게 나타나지 않았습니다. 초기 우주의 환경이 지금과 달랐기 때문일 수 있다는 설명이 제시됐지만, 천체의 정확한 성격은 계속 미해결 상태로 남았습니다.

■ ‘블랙홀 별’이라는 새로운 해석

2025년 봄, de Graaff와 Naidu의 두 연구팀은 기존의 작은 붉은 점과도 다른 두 천체를 발표했습니다. 이 두 천체는 특히 붉었고, Webb는 스펙트럼의 푸른 파장에서 거의 빛을 감지하지 못했습니다. 반면 특정 붉은 파장에서는 밝기가 갑자기 크게 증가했습니다. 이 특징은 ‘발머 단절(Balmer break)’로 불리며, 뜨거운 수소 가스 덩어리나 특정 종류의 별과 은하에서 나타납니다.

발머 단절은 표면 온도가 대략 5,000켈빈인 별에서 볼 수 있는, 완만하고 봉우리 형태의 붉은 스펙트럼과 관련이 있습니다. 하지만 해당 천체들은 일반적인 별이라고 보기에는 지나치게 밝았습니다. 그렇다고 전형적인 블랙홀처럼 여러 온도의 고리 구조를 보이는 것도 아니었습니다. de Graaff와 Naidu는 이들이 블랙홀의 에너지와 별의 외형을 동시에 가진 새로운 천체, 즉 ‘블랙홀 별(black hole star)’일 수 있다고 제안했습니다.

이 모델에서 블랙홀 별은 거대한 수소 가스 덩어리입니다. 태양을 블랙홀 별로 대체한다면 그 크기는 명왕성의 궤도보다 열두 배 더 멀리 뻗을 수 있다고 설명합니다. 외곽에서는 가스가 불안정하게 끓어오르며 물질을 바깥으로 내보냈다가 다시 떨어뜨립니다. de Graaff는 이를 “물질이 날아 나갔다가 다시 떨어지는 매우 복잡한 시스템”이라고 설명하며 가까이 가고 싶지 않은 천체라고 말했습니다.

가스층 중심에는 블랙홀이 자리합니다. 블랙홀은 주변 가스를 끌어당겨 가열하고, 그 에너지와 빛이 바깥쪽으로 이동하면서 거대한 수소층이 안쪽으로 붕괴하는 것을 막습니다. 이 과정에서 블랙홀은 태양의 핵에서 핵융합이 하는 역할과 비슷한 ‘엔진’이 됩니다. 블랙홀 주변에서 나온 빛은 가스층을 통과하고, 표면 근처의 수소가 푸른빛을 차단하면서 붉은빛을 통과시킵니다. 그 결과 외부에서는 노출된 블랙홀만큼 밝지만, 별처럼 발머 단절과 매끄러운 붉은 봉우리를 가진 천체로 보일 수 있다는 설명입니다. 두꺼운 가스 ‘코쿤’은 X선을 차단하고 밝기 변동도 줄일 수 있어, 작은 붉은 점에서 나타난 두 가지 이상성을 함께 설명할 수 있습니다.

■ 넓은 수소선은 무엇을 의미합니까

블랙홀 별 모델의 문제는 넓은 수소선이었습니다. 넓은 선은 보통 블랙홀 주변을 빠르게 도는 가스의 흔적으로 해석되기 때문입니다. University of Manchester의 Vadim Rusakov가 이끄는 연구진은 가장 잘 관측된 작은 붉은 점들의 넓은 선 모양을 자세히 조사했습니다. 이들은 선이 빠르게 회전하는 가스에서 예상되는 날카로운 산 모양보다 다소 완만하게 기울어져 있다는 점에 주목했습니다.

연구진은 색이 넓게 퍼진 이유 중 상당 부분이 빠른 회전이 아니라 전자에 의한 산란일 수 있다고 제안했습니다. 전자 산란으로 생긴 흐림 효과를 데이터에서 디지털 방식으로 제거하자, 수소선은 이전보다 좁아졌고 특정 상태의 수소 가스층을 통과한 빛처럼 보였습니다. 세 연구팀의 결과는 2025년 3월 20일 함께 공개됐고, 일부 연구자들은 이날을 ‘블랙홀 별의 날(black hole star date)’이라고 불렀습니다.

이 가설이 맞다면 블랙홀 별은 초대질량 블랙홀의 초기 성장 단계일 수 있습니다. 먼저 수소층 중심에서 블랙홀이 만들어지고, 주변에는 정상적인 별들로 이루어진 아기 은하가 형성됩니다. 이후 블랙홀이 가스층을 먹어 치우며 바깥으로 나오고, 물질을 제거하는 동안 질량을 키운다는 시나리오입니다. Naidu는 연구자들이 우주에 존재하는 거대 블랙홀의 씨앗을 보고 있을 수 있다고 말했습니다.

■ 전통적인 블랙홀이라는 반론

모든 천문학자가 블랙홀 별 해석에 동의하는 것은 아닙니다. University of Cambridge의 Roberto Maiolino는 관측 데이터가 매우 설득력 있지만, 그 데이터가 블랙홀 별이라는 해석까지 강제하지는 않는다고 봅니다. 작은 붉은 점에서 밝기 변동이 적은 이유는 초기 우주의 블랙홀이 더 안정적으로 가스를 공급받아 상대적으로 일정하게 물질을 먹었기 때문일 수 있습니다. X선이 부족한 이유도 블랙홀 주변의 두꺼운 도넛형 가스와 먼지가 X선을 대부분 막았기 때문일 수 있습니다.

Maiolino와 Piero Madau는 점의 붉은색이 천체의 구조보다 관측 각도에서 비롯될 수 있다고 주장합니다. 가스와 먼지로 된 도넛을 옆에서 보면 블랙홀이 가려져 붉게 보이고, 위에서 보면 블랙홀이 노출돼 ‘작은 푸른 점’처럼 보일 수 있다는 설명입니다. 이들은 전자 산란이 수소선의 폭을 넓힐 수 있다는 점은 인정하지만, 전자 산란은 전통적인 초대질량 블랙홀 주변의 수소선도 똑같이 흐리게 만들 수 있다고 지적합니다.

현재는 어느 쪽도 Webb의 관측 결과를 배제하지 못합니다. University of Massachusetts, Amherst의 Mauro Giavalisco는 블랙홀과 블랙홀 별 중 어느 해석을 선호해야 할 결정적인 이유가 아직 없다고 말했습니다. 이 논쟁을 해결하려면 블랙홀 별이 어떻게 형성되고, 각각의 모델이 어떤 스펙트럼을 만들어내는지 더 정교하게 계산해야 합니다.

■ 준성(quasi-star) 모델과 시간에 따른 변화

University of Colorado, Boulder의 Mitchell Begelman은 작은 붉은 점에서 과거 자신이 제안했던 ‘준성(quasi-star)’의 흔적을 발견했습니다. Begelman은 Marta Volonteri, Martin Rees와 함께 2006년에 준성 모델을 제안했습니다. 이 모델에서는 거대한 가스 구름의 중심이 직접 붕괴해 블랙홀이 되고, 나머지 가스 구름이 그 주변을 감쌉니다. Begelman과 Jason Dexter는 2025년 이 모델을 작은 붉은 점에 적용해, 준성이 수백만 년 안에 형성된 뒤 수천만 년 동안 작은 붉은 점처럼 보일 수 있다고 계산했습니다.

2026년 Giavalisco와 공동 연구자들은 준성 모델을 더 발전시켰고, 이 모델이 de Graaff와 Naidu가 관측한 천체의 스펙트럼을 초기 블랙홀 별 모델보다 더 잘 설명한다고 보고했습니다. 다만 Giavalisco는 준성 이론을 유력한 설명으로 보면서도 다른 가능성을 배제하지 않으며, 최종적으로는 실제 정체를 확인하고 싶다고 말했습니다.

시간에 따라 작은 붉은 점의 수가 어떻게 변하는지도 중요한 검증 방법입니다. 만약 작은 붉은 점이 초기 우주에서 형성된 블랙홀 별이라면, 각 천체가 가스층을 벗어나 내부의 블랙홀을 드러낼수록 시간이 지날수록 그 수가 줄어들어야 합니다. Colby College의 Dale Kocevski와 연구진은 2026년 8월 붉은 점과 푸른 점을 우주의 서로 다른 시대로 나누어 조사했고, 우주의 나이가 20억~30억 년에 가까워질수록 작은 붉은 점이 사라지는 듯한 패턴을 발견했습니다. 이는 작은 붉은 점이 초대질량 블랙홀의 ‘사춘기’ 단계일 수 있다는 예비 증거입니다.

또 다른 분석에서 Naidu, de Graaff, Eilers와 공동 연구자들은 2026년 9월 8일 블랙홀 별 내부의 씨앗 블랙홀 질량을 추정하는 방법들을 시험했습니다. 숨겨진 블랙홀은 일반적인 노출된 블랙홀보다 훨씬 작아 보였고, 연구진은 Webb가 태양 질량의 최대 100만 배에 이르는 블랙홀 별이 초기 우주의 거대 블랙홀을 배양하는 순간을 포착하고 있을 수 있다고 제안했습니다. 그러나 Kocevski는 모든 작은 붉은 점이 같은 종류라고 보기는 어렵다고 생각합니다. 일부는 블랙홀 별처럼 보이고, 다른 일부는 전통적인 블랙홀에 가까울 수 있으며, 두 진영 모두 옳을 가능성도 있다고 말했습니다.

■ Hacker News 반응

• @debo_ — Soundgarden은 히트곡 “Black Hole Sun”으로 예언을 했던 모양입니다.

• @TimeBearingDown — Chris Cornell이 편히 쉬기를 바랍니다. 그는 이것을 봤어야 했습니다.

• @jahnu — 사람들이 흔히 생각하는 별의 모습은 천문학자들이 생각하는 별과 상당히 다르다는 점을 짚고 싶습니다. 한 예로 VY Canis Majoris는 반지름이 태양 반지름의 약 1,420배입니다. 하지만 질량은 태양의 약 17±8배이므로 평균 밀도는 5.33~8.38mg/m³입니다. “이는 해수면의 지구 대기보다 10만 배 이상 밀도가 낮습니다.”

• @usrnm — 제가 평범한 사람으로서 정의하는 별은 “하늘 어딘가에 있고 빛을 내는 것”입니다. 제게는 ‘밀도’라는 단어가 떠오르지도 않습니다.

• @kulahan — 흑체 복사 덕분에, 이 정의에 따르면 인간 스카이다이버도 잠시 별이 됩니다! ;) 무엇이 됐든 별이 되려면 핵융합으로 에너지를 만들어내는 핵이 필요하고, 이를 위해서는 밀도 조건이 필요합니다.

원문: Quanta Magazine / 번역·요약: Trawling