심야에 스마트폰을 들여다보거나 밤하늘을 올려다볼 때, 사진 속에 찍힌 희미한 붉은 점은 흔히 먼지로 치부되기 십상이다. 어떤 이들은 디스플레이 화면의 데드 픽셀로 오인하기도 한다. 하지만 천문학자들에게 이 극미한 붉은 점은 현대 천체물리학에서 가장 뜨거운 학술 논쟁을 촉발하는 뇌관이다. 이 점들은 지구에서 150만 킬로미터 떨어진 심우주에서 관측 임무를 수행하는 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, 이하 JWST 또는 웹 망원경)에 포착되었다. 학술 문헌에서 ‘작은 붉은 점(little red dots, LRDs)‘이라 불리는 이 천체들은 심우주 관측 사진 속에서 고작 단 하나의 픽셀 크기만을 차지한다. 그러나 그 빛은 우주 탄생 초기에 출발하여 무려 120억 광년의 머나먼 시공간을 가로질러 우리에게 도달했다.
천문학자들은 처음에 이들이 단순히 멀리 떨어진 고대 은하일 것이라 여겼다. 하지만 상세 데이터를 분석하자 이들의 밝기가 기존 은하 진화 모델의 상한선을 훌쩍 뛰어넘는다는 사실이 드러났다. 전통 이론에 따른다면 이토록 이른 우주 시기에 그처럼 엄청난 밝기를 내뿜는 천체가 존재한다는 것 자체가 불가능했다. 이러한 이례적인 현상은 연구자들로 하여금 초거대 블랙홀의 기원에 대해 근본적인 재검토를 시작하게 만들었다.
1픽셀 크기의 붉은 점, 수십억 개의 별보다 밝게 빛나다
2023년, 웹 망원경은 일련의 딥필드(심우주 탐사) 이미지를 공개했다. 거의 모든 사진의 구석마다 눈을 찌르는 듯한 미세한 붉은 점이 한두 개씩 자리 잡고 있었다. 사진 속에서 그것들은 지극히 작고 눈에 띄지 않는 점에 불과했다. 만약 우주 전체 사진을 초대형 포스터로 확대한다 해도, 이 붉은 점들은 겨우 1픽셀의 면적만을 차지할 뿐이다. 하지만 이를 정밀 측정한 결과는 연구자들을 큰 충격에 빠뜨렸다.
그 단 하나의 픽셀에서 뿜어져 나오는 빛은 무려 수십억 개의 태양이 동시에 빛을 발하는 에너지에 맞먹었다. 이 밝기는 평범한 은하 전체의 빛을 단숨에 압도할 만한 수준이었다. 전통 천체물리학에 따르면 은하가 형성되는 데는 수억 년 이상의 세월이 걸린다. 그 정도의 밝기에 도달하려면 수백억, 수천억 개의 별이 한데 모여야만 한다. 하지만 이 작은 붉은 점들이 나타난 시점은 빅뱅 이후 불과 10억 년도 채 지나지 않은 때였다. 그토록 짧은 시간 동안 우주가 이토록 거대한 은하를 빚어내기란 시간적으로 불가능했다.
천문학계는 한때 이들을 ‘우주 파괴자(universe breakers)‘라고 불렀다. 그들의 존재 자체가 기존의 은하 형성 이론을 뒤흔들었기 때문이다. 연구자들은 곧바로 웹 망원경의 분광기를 이 붉은 점들로 향했고, 스펙트럼 분석을 통해 그 정체를 규명하고자 했다. 스펙트럼은 천체의 신분증과 같아서, 가스와 천체의 성분에 따라 고유한 파장의 선을 남긴다. 초기 스펙트럼 분석 결과는 이 작은 붉은 점들의 특성이 초거대 블랙홀과 매우 유사함을 보여주었다.
블랙홀 자체는 빛을 내지 않는다. 그러나 주변의 막대한 가스와 먼지가 블랙홀로 빨려 들어갈 때 극심한 마찰이 발생하며 강력한 발광 구조를 형성한다. 이 강렬한 빛은 모은하 전체의 광채를 가릴 만큼 눈부시다.
그림: 블랙홀 별(준항성) 개념 삽화. 거대한 외부 수소 외층이 중심부 블랙홀 엔진을 감싸고 있다. 출처: Quanta Magazine / Mark Belan
스펙트럼이 드러낸 모순: 블랙홀이 걸칠 수 없는 수소의 외투
만약 이 작은 붉은 점들이 평범한 블랙홀에 불과했다면 천문학자들은 안도의 한숨을 내쉬었을 것이다. 그러나 2025년 3월 20일에 이뤄진 발견은 그 평온을 산산조각 냈다. 연구팀은 이날을 ‘블랙홀 별의 날’이라고 불렀다. 세 개의 독립된 연구팀이 이날 동시에 최신 관측 데이터를 발표했기 때문이다. 연구자들은 대표적인 두 개의 붉은 점 스펙트럼을 분석하던 중 기묘한 구조를 발견했다. 바로 발머 불연속(Balmer break, 수소 원자가 빛을 흡수하고 방출할 때 스펙트럼에 남기는 가파른 절벽 모양의 급락 구간으로, 일반적으로 온도가 온화한 수소 가스 층에서만 발생한다)이었다.
이 독특한 불연속 구조는 온도가 약 5,000켈빈(섭씨 약 4,700도) 안팎으로 유지되는 수소 가스 구형 껍질에서만 만들어진다. 하지만 맨몸을 드러낸 초거대 블랙홀 주변에는 수백만 도에 달하는 격렬한 강착원반이 소용돌이치고 있다. 이처럼 극도로 뜨거운 환경에서는 상대적으로 온화한 수소 외피가 결코 유지될 수 없다. 블랙홀에게 이러한 옷차림은 물리적으로 어울리지 않는 것이었다. 더욱 모순적인 점은, 이 온화한 수소 껍질이 수십억 개의 태양에 필적하는 엄청난 광도를 뿜어내고 있었다는 사실이다.
일반적인 항성은 이토록 거대한 에너지를 공급할 수 없고, 일반적인 블랙홀은 이 온화한 가스 외피를 지탱해낼 수 없다. 천문학계는 깊은 혼란에 빠졌다. 어떤 천체여야만 블랙홀의 막강한 에너지와 온화한 수소 공의 외형을 동시에 가질 수 있단 말인가?
수소 풍선 속에 숨은 블랙홀, 명왕성 궤도의 12배에 달하는 거체
이 모순을 설명하기 위해 천문학자들은 2006년의 한 이론 연구를 다시 끄집어냈다. 이론물리학자 미첼 베겔만(Mitchell Begelman) 연구진이 제안했던 가상의 천체 모델이었다. 이것이 바로 준항성(quasi-star), 즉 ‘블랙홀 별(black hole star)‘이다. 외부는 거대한 수소 가스 외층으로 둘러싸여 있고, 내부에는 블랙홀이라는 엔진이 장착된 가상의 거대 천체다. 2025년의 논의 속에서 연구팀은 이 블랙홀 별 모델을 작은 붉은 점의 데이터에 적용해 보았다. 외부에서 보기에 블랙홀 별은 거대한 수소 기구처럼 보인다. 만약 태양 대신 이 천체를 태양계 중심에 놓는다면, 그 바깥 경계는 명왕성 궤도의 12배에 달하는 지점까지 뻗어나가며 태양계의 알려진 모든 행성 영역을 통째로 집어삼킬 크기다.
이 거대한 구체 내부 깊은 곳에는 엄청난 질량을 지닌 ‘씨앗 블랙홀’이 엔진 역할을 맡아 숨어 있다. 중심부 블랙홀은 주변 가스를 끊임없이 집어삼키며 막대한 복사열과 에너지를 뿜어낸다. 밖으로 향하는 이 거대한 복사압이 외곽을 둘러싼 막대한 수소 가스의 중력을 떠받쳐, 거대한 수소 구체가 안으로 붕괴하는 것을 막아준다. 이러한 구조는 작은 붉은 점이 가진 상반된 특징들을 명쾌하게 설명해냈다. 내부 블랙홀이 강력한 밝기를 내뿜고, 외부의 거대한 수소 껍질이 고에너지 복사를 흡수하여 열복사로 변환한 뒤 최종적으로 5,000켈빈의 발머 불연속 스펙트럼을 남기는 것이다.
블랙홀 별 모델은 작은 붉은 점을 둘러싼 다른 두 가지 수수께끼도 덤으로 풀어냈다. 첫째, 두터운 외부 수소 껍질이 방패 역할을 하여, 통상 물질이 블랙홀로 빨려 들어갈 때 방출되는 강력한 X선을 차단해 버린다. 둘째, 이 안정적인 거대 가스층이 완충 작용을 하면서 블랙홀의 포식 과정을 부드럽게 만들어, 작은 붉은 점의 빛이 일반적인 활성 은하핵 블랙홀처럼 격렬하게 깜빡이지 않는 이유를 설명해 준다.
그림: 천체물리학자 안나 데 그라프(Anna de Graaff) 연구원, 배경에는 붉은 점 도식. 출처: Quanta Magazine / Max Borchardt
반대파가 제시한 ‘푸른 점’: 관측 각도가 빚어낸 착시인가
블랙홀 별 가설이 매우 정교했음에도 불구하고 천문학계 전체가 이에 동의한 것은 아니었다. 케임브리지 대학교의 로베르토 마이올리노(Roberto Maiolino) 교수를 필두로 한 반대파 연구자들은 신중한 입장을 유지했다. 그들은 블랙홀 별과 같은 낯선 가상 천체를 끌어들일 필요가 없다고 보았다. 기존의 전통적인 천체물리학 메커니즘만으로도 이러한 관측 데이터를 충분히 설명할 수 있다는 주장이다. 초기 우주에는 가스가 극도로 풍부했다. 블랙홀에 연료가 끊임없이 유입되었기 때문에 빛이 심하게 깜빡이지 않고 안정적으로 유지될 수 있었다는 것이다.
사라진 X선의 수수께끼에 대해 반대파는 ‘도넛(토러스) 가설’을 제시했다. 블랙홀 주변을 가스와 먼지로 이루어진 빽빽한 고리 형태의 도넛 띠가 둘러싸고 있다는 모델이다. 만약 이 고리 구조가 망원경과 블랙홀 사이의 시선 방향을 가로막고 있다면, 고에너지 X선은 깔끔하게 흡수되어 버린다. 스펙트럼이 붉게 보이는 이유 역시 단순히 관측 각도의 문제일 뿐이라고 반대파는 설명했다.
먼지 장막을 옆에서 비스듬히 들여다보면 천체가 붉게 보이지만, 먼지가 가리지 않는 정면 축에서 바라보면 푸르게 빛난다는 논리다. 실제로 천문학자들은 심우주 사진 속에서 이에 상응하는 ‘작은 푸른 점(little blue dots)‘들도 찾아냈다. 이를 근거로 반대파는 작은 붉은 점과 작은 푸른 점이 근본적으로 동일한 유형의 평범한 블랙홀이며, 지구를 향한 관측 각도에 따라 색상 차이가 생겼을 뿐이라고 반박했다. 또한 블랙홀 별 지지자들이 제시한 넓은 스펙트럼 선에 대해서도 루사코프(Rusakov) 연구팀은 다른 설명을 내놓았다. 광자가 고밀도 전자 구름을 통과하며 방향과 에너지를 바꾸는 전자 산란(electron scattering) 현상으로 충분히 설명할 수 있으며, 거대한 수소 외피가 반드시 필요한 것은 아니라는 지적이다.
그림: 케임브리지 대학교의 로베르토 마이올리노(Roberto Maiolino) 교수. 출처: Quanta Magazine
우주 나이 20~30억 년에 사라진 붉은 점, 초거대 블랙홀의 유년기를 찾다
치열한 논쟁 속에서도 최신 관측 증거들은 점차 블랙홀 별 가설 쪽으로 기울고 있다. 2026년 8월, 데일 코체브스키(Dale Kocevski) 연구팀은 초기 우주 천체들에 대한 대규모 탐사를 완료했다. 데이터 분석 결과, 우주의 나이가 20억~30억 년에 이르렀을 때 작은 붉은 점들은 우주에서 거의 자취를 감춘 것으로 나타났다. 이러한 급격한 감소는 이론적 예측과 정확히 들어맞는다. 블랙홀 별 단계는 영구히 유지될 수 없으며, 초거대 블랙홀이 탄생하는 초기의 짧은 질풍노도의 청소년기를 보여주는 상태이기 때문이다.
외부의 수소 외피가 중심부 블랙홀에 의해 점차 먹어치워지거나 강한 복사에 의해 우주 공간으로 날아가 버리면서, 블랙홀 별은 마침내 외피를 벗어던지고 오늘날 우리가 목격하는 평범한 맨몸의 초거대 블랙홀로 변모하게 된다. 2026년 9월 8일, 공동 연구팀은 새롭게 계산된 질량 데이터를 공개했다. 작은 붉은 점 내부에 숨겨진 씨앗 블랙홀의 질량은 최대 태양의 100만 배에 달할 수 있다는 분석이다. 연구팀의 로한 나이두(Rohan Naidu) 연구원은 우리가 보고 있는 것이 바로 블랙홀의 원초적 씨앗이며, 우주에 존재하는 모든 초거대 블랙홀이 탄생하는 실제 과정일 수 있다고 강조했다. 코체브스키 연구원은 양측의 견해가 모두 일리가 있을 수 있다는 절충안을 내놓았다. 작은 붉은 점 중 일부는 진짜 블랙홀 별이고, 다른 일부는 먼지에 가려진 평범한 블랙홀일 수 있다는 해석이다.
웹 망원경이 촬영한 이 미세한 붉은 점들은 우주 여명의 깊은 곳에 감춰진 비밀을 우리 앞에 드러냈다. 단 1픽셀 크기의 점으로부터 은하 중심의 거대 괴물 블랙홀에 이르기까지, 천문학자들은 별빛과 스펙트럼을 통해 블랙홀의 첫 탄생 순간을 복원해 나가고 있다. 태고의 빛은 우리에게 귓속말을 건네고 있다. 초거대 블랙홀은 기나긴 세월 동안 서서히 자라난 것이 아니라, 우주의 가장 이른 새벽에 블랙홀 별이라는 거대한 모습으로 단숨에 태어났을지도 모른다고 말이다.
참고 링크:
- Quanta Magazine 보도
