JWST가 이상한 붉은 점을 발견했지만 과학자들은 이를 설명할 수 없다.

블랙홀 별의 예술가적 상상도(축척 미상). 우주의 새벽에 발견된 신비로운 작은 빛점들은 거대한 뜨거운 가스 구체일 가능성이 있는데, 이 구체는 밀도가 매우 높아 전형적인 핵융합 별의 대기처럼 보입니다. 하지만 핵융합 대신, 이 구체들은 중심부에 있는 초대질량 블랙홀에 의해 에너지를 얻습니다. 블랙홀은 물질을 빠르게 끌어당겨 에너지로 전환하고 빛을 방출합니다. 사진 제공: T. Müller/A. de Graaff/Max Planck Institute for Astronomy

2022년 여름, 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 최초의 과학적 이미지를 전송하기 시작한 지 불과 몇 주 후, 천문학자들은 예상치 못한 패턴을 발견했습니다. 바로 새로운 관측 자료 곳곳에 흩어져 있는 작은 붉은 점들이었습니다. 이 매우 작고 뚜렷한 붉은색 천체들은 JWST의 감도 덕분에 놀라울 정도로 선명하게 나타났고, 예상보다 훨씬 더 많았습니다. 이 발견은 허블 우주 망원경이 감지하지 못했던 완전히 새로운 종류의 먼 천체들이 존재함을 시사했습니다. 이러한 한계는 타당했습니다. 천문학에서 "매우 붉은색"이라고 부르는 것은 그 천체가 대부분의 빛을 장파장에서 방출한다는 것을 의미합니다. 이 작은 붉은 점들은 대부분의 빛을 중적외선인 천만분의 1미터보다 긴 파장에서 방출합니다. 허블은 이처럼 긴 파장을 관측할 수 없지만, JWST는 이러한 장파장을 관측하도록 특별히 설계되었습니다.

후속 데이터는 이 천체들이 엄청나게 멀리 떨어져 있다는 것을 분명히 보여주었습니다. 우리와 가장 가까운 천체조차도 빛이 도달하는 데 120억 년이 걸렸습니다. 우주를 바라보는 것은 시간을 거슬러 올라가는 것이기도 하므로, 우리는 이 천체들을 120억 년 전, 즉 빅뱅 이후 약 18억 년 후의 모습으로 보고 있습니다.

초기 이론은 거대하고 젊은 은하를 가리킨다

이 발견은 어려운 의문을 제기했습니다. 천문학자들은 천문 관측 결과를 해석하기 위해 다양한 유형의 천체가 어떤 모습을 하고 있는지를 설명하는 모델에 의존합니다. 천문학자들이 별을 확실하게 식별할 수 있는 것은 별을 중력에 의해 결합된 거대한 플라스마 구체로 이해하고 핵융합을 통해 에너지를 생성하기 때문입니다. 또한 별이 이미지와 스펙트럼이라고 불리는 빛의 세부 측정에서 어떻게 보이는지도 알고 있습니다. 천체가 외형과 스펙트럼이 모두 일치하면 신뢰성 있게 분류할 수 있습니다.

작은 붉은 점들은 어떤 익숙한 범주와도 일치하지 않았기 때문에 천문학자들은 더 극단적인 설명을 고려하기 시작했습니다. 초기 제안 중 하나는 이 천체들이 엄청나게 많은 별들로 가득 찬 비정상적으로 밀도가 높은 은하이며, 두꺼운 먼지층으로 인해 붉은색을 띠고 있다는 것이었습니다. 이러한 밀도를 시각화하기 위해 태양계를 각 면이 1광년인 정육면체 안에 배치해 봅시다. 우리 우주에서 그 정육면체에는 태양만 있을 것입니다. 제안된 은하에서는 같은 정육면체 안에 수십만 개의 별이 있을 것입니다.

우리 은하에서는 중심핵만이 별의 밀도가 거의 비슷하며, 그 영역에는 작은 붉은 점 모형에 필요한 별의 약 천분의 일만 존재합니다. 만약 이 은하들이 빅뱅 이후 10억 년 이내에 태양 질량의 수천억 배에 해당하는 별들을 실제로 품고 있다면, 은하 형성에 대한 기본 이론에 의문을 제기할 것입니다. 공동 저자인 빙지에 왕(펜실베이니아 주립대학교)은 "이러한 은하의 밤하늘은 눈부시게 밝을 것입니다. 만약 이 해석이 맞다면, 이전에는 관측된 적이 없는 특별한 과정을 통해 별들이 형성되었음을 의미합니다."라고 지적합니다.

은하인가, 활동 은하핵인가? 과학적 분열

논쟁은 빠르게 확산되었습니다. 일부 연구자들은 별이 풍부하고 먼지가 많은 은하라는 가설을 지지했지만, 다른 연구자들은 이 작은 붉은 점들이 실제로는 다량의 먼지에 가려진 활동 은하핵이라고 주장했습니다. 활동 은하핵은 물질이 은하 중심 블랙홀로 나선 운동을 하며 매우 뜨거운 강착 원반을 형성할 때 발생합니다. 그러나 이러한 해석에도 문제가 있었습니다. 작은 붉은 점들의 스펙트럼은 알려진 먼지로 붉어진 활동 은하핵과 상당히 달랐습니다. 또한 이 시나리오는 이러한 천체들이 극도로 큰 질량을 가진 초대질량 블랙홀을 품고 있어야 했으며, JWST가 감지한 작은 붉은 점들의 수를 고려하면 예상보다 훨씬 많은 수의 블랙홀이 있어야 했습니다.

천문학자들은 의견이 엇갈렸지만, 한 가지 점에서는 의견 일치를 보였습니다. 미스터리를 풀려면 더 많은 데이터가 필요하다는 것이었습니다. JWST의 초기 관측 결과는 이미지를 제공했지만, 물리학을 이해하려면 천체가 각기 다른 파장에서 얼마나 많은 빛을 방출하는지 보여주는 스펙트럼이 필요했습니다. 주요 망원경의 관측 시간은 경쟁이 매우 치열하기 때문에 이러한 관측 데이터를 확보하는 것은 쉽지 않습니다. 작은 붉은 점들의 중요성이 명확해지자 많은 연구팀이 관측 시간을 요청하기 시작했습니다. 이러한 성공적인 제안 중 하나는 막스 플랑크 천문학 연구소의 안나 드 그라프가 이끄는 RUBIES 프로그램으로, "Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey"의 약자입니다.

RUBIES 설문조사에서 극단적인 사례가 드러났습니다.

2024년 1월부터 12월까지 RUBIES 팀은 JWST 관측 시간 중 거의 60시간을 사용하여 4,500개의 먼 은하에 대한 스펙트럼을 수집하여 지금까지 가장 방대한 JWST 분광 데이터 세트 중 하나를 구축했습니다. 라파엘 히딩(MPIA)에 따르면, "이 데이터 세트에서 35개의 작은 붉은 점들을 발견했습니다. 대부분은 공개적으로 이용 가능한 JWST 이미지를 사용하여 이미 발견된 것이었습니다. 하지만 새롭게 발견된 점들은 가장 극단적이고 매혹적인 천체로 밝혀졌습니다." 가장 놀라운 발견은 2024년 7월에 이루어졌습니다. 그들은 "절벽(The Cliff)"이라고 명명한, 매우 멀리 떨어진 천체로, 그 빛은 119억 년을 이동하여 지구에 도달했습니다(적색편이 z=3.55). 이 천체의 특성은 이 천체가 작은 붉은 점 집단을 특히 강하게 대표한다는 것을 시사했으며, 따라서 이에 대한 이론을 검증하는 데 중요한 천체였습니다.

클리프 은하의 이름은 스펙트럼의 극적인 특징 때문에 붙여졌습니다. 일반적으로 자외선 영역일 스펙트럼이 매우 가파른 상승을 보였습니다. 우주의 팽창으로 인해 이 파장은 원래 값의 거의 다섯 배로 늘어나 근적외선 영역에 위치하게 되는데, 이를 우주론적 적색편이라고 합니다. 이러한 급격한 상승을 "발머 브레이크"라고 합니다. 발머 브레이크는 일반 은하, 특히 새로운 별이 거의 또는 전혀 형성되지 않는 은하에서 나타나지만, 클리프 은하에서 관측된 것보다 훨씬 약합니다.

알려진 모든 설명 테스트

이례적으로 날카로운 발머 단절은 클리프 천체를 작은 붉은 점에 대한 두 가지 주요 해석과 상충되게 만들었습니다. 드 그라프와 동료들은 천체의 스펙트럼에 대해 다양한 은하와 활동 은하핵 모델을 시험하여 그 특징을 재현하려고 시도했습니다. 모든 모델이 실패했습니다.

안나 드 그라프는 "클리프의 극단적인 특성 때문에 우리는 다시 처음부터 시작하여 완전히 새로운 모델을 고안해야 했습니다."라고 말합니다. 이 무렵, 중국과 영국 연구진이 2024년 9월에 발표한 연구에서 일부 발머 브레이크 특징이 별이 아닌 다른 곳에서 유래했을 가능성이 제기되었습니다. 드 그라프 연구팀은 이와 관련된 아이디어를 스스로 검토하기 시작했습니다. 발머 브레이크는 매우 뜨겁고 어린 단일 별의 스펙트럼뿐만 아니라 그러한 별이 많이 포함된 은하에서도 나타날 수 있습니다. 이상하게도, 클리프는 은하 전체의 스펙트럼보다 매우 뜨거운 별 하나의 스펙트럼과 더 유사했습니다.

새로운 모델 등장: 블랙홀 별(BH)*

그 아이디어를 바탕으로 드 그라프와 그녀의 동료들은 BH*로 표기되는 "블랙홀 별"이라는 새로운 개념을 도입했습니다. 이 모델에서 중심 엔진은 강착 원반을 가진 초대질량 블랙홀을 포함하는 활동 은하핵이지만, 전체 시스템은 먼지 대신 방출되는 빛을 붉게 만드는 두꺼운 수소 가스층으로 둘러싸여 있습니다. BH* 천체는 중심부에 핵융합이 일어나지 않기 때문에 진정한 별이 아닙니다. 또한 주변 가스는 일반 별의 대기에서 발견되는 어떤 가스보다 훨씬 더 격렬합니다. 그럼에도 불구하고 기본적인 물리적 상황은 비슷합니다. 활동 은하핵은 주변 가스 외피를 가열하는데, 이는 핵융합이 별의 외층을 가열하는 방식과 유사하여 유사한 외관을 형성합니다.

연구팀이 제시한 모델은 초기 개념 증명 역할을 합니다. 아직 데이터와 완벽하게 일치하지는 않지만, 이전 모델보다 관측된 특징을 더 성공적으로 재현합니다. '클리프(The Cliff)'라는 이름이 유래된 스펙트럼의 가파른 상승은 활동적인 은하핵 주변의 고밀도 구형 난류 가스 포락선으로 설명될 수 있습니다. 이 해석이 맞다면, '클리프'는 중심 블랙홀 별이 지배하는 극단적인 경우를 나타내는 반면, 다른 작은 붉은 점들은 BH* 빛과 주변 별 및 가스에서 나오는 빛이 다양하게 혼합된 형태를 나타낼 것입니다.

빠른 초기 은하 성장에 대한 의미

만약 BH* 천체가 실제로 존재한다면, 오랜 수수께끼를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다소 작은 중간 질량 블랙홀에 대한 이전 이론적 연구는 이처럼 가스로 둘러싸인 구조가 초기 우주에서 매우 빠른 블랙홀 성장을 가능하게 했을 수 있다고 시사했습니다. JWST는 이미 초기 우주에서 비정상적으로 거대한 블랙홀의 존재에 대한 증거를 밝혀냈습니다. 만약 초대질량 블랙홀 별이 비슷한 방식으로 성장한다면, 그러한 빠른 성장을 설명하는 새로운 메커니즘을 제공할 수 있습니다. BH* 천체가 이러한 현상을 달성할 수 있는지는 아직 불확실하지만, 만약 가능하다면 초기 은하 진화 모델에 상당한 영향을 미칠 것입니다.

이처럼 유망한 통찰력에도 불구하고, 신중한 접근이 필요합니다. 이 연구 결과는 완전히 새로운 것이며, 동료 심사를 거친 학술지에 게재 승인된 후에만 과학적 연구 결과를 보고하는 표준 관행을 따르고 있습니다. 이러한 아이디어가 널리 받아들여질지는 앞으로 몇 년 동안 수집될 추가적인 증거에 달려 있습니다.

남은 미스터리와 미래의 관찰

새로운 발견은 클리프의 극단적인 발머 붕괴를 설명할 수 있는 최초의 모델을 제시하며 중요한 진전을 이루었습니다. 그러나 새로운 의문점도 제기됩니다. 애초에 이러한 블랙홀 별은 어떻게 형성될 수 있었을까요? (특히 블랙홀이 가스를 소모하고 어떻게든 보충해야 하기 때문에) 이 특이한 가스 외피가 장기간 지속될 수 있는 이유는 무엇일까요? 클리프의 다른 스펙트럼 특성들은 어떻게 생겨나는 것일까요?

이러한 문제를 해결하려면 이론적 모델링과 더 많은 관측이 필요합니다. 드 그라프 팀은 이미 내년에 JWST 후속 관측을 계획하고 있으며, 클리프와 특히 흥미로운 다른 작은 붉은 점들을 관측할 예정입니다.

이러한 미래 연구는 블랙홀 별이 초기 은하 형성에 실제로 어떤 역할을 했는지 확인하는 데 도움이 될 것입니다. 그 가능성은 매우 흥미롭지만, 아직 확실하게 밝혀진 것은 없습니다.

배경 및 연구팀

본 연구에 설명된 내용은 A. de Graaff 외 연구진의 저서 "A remarkable Ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a Little Red Dot at z = 3.5"로 Astronomy & Astrophysics 에 게재되었습니다. Raphael Hviding이 주도한 RUBIES 조사에서 얻은 더 광범위한 Little Red Dot 샘플을 제시한 동반 논문도 같은 저널에 "RUBIES: A spectroscopic census of little red dots -- All point sources with v-shaped continua have broad lines"라는 제목으로 게재되었습니다.

참여 연구자로는 막스 플랑크 천문학 연구소의 Anna de Graaff, Hans-Walter Rix, Raphael E. Hviding, Cosmic Dawn Center의 Gabe Brammer, Princeton University의 Jenny Greene, Swinburne University의 Ivo Labbe, MIT의 Rohan Naidu, Penn State University와 Princeton University의 Bingjie Wang 및 기타 공동 연구자가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251127102115.htm