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- 작은 붉은 점들'은 사실 매우 젊은 초거대 블랙홀
- 태양 질량의 1만 배에서 1천만 배에 달하는 질량, 열정적인 핵을 가진 고밀도 가스 구조
- 가려진 블랙홀들이 적외선 영역에서 밝게 빛나는 것이다. "이러한 복사가 바로 작은 붉은 점들이 특유의 붉은색을 띠는 이유

'작은 붉은 점들'의 미스터리, 마침내 풀리다.
천문학자들, 초기 우주의 신비로운 붉은 물체에 대한 새로운 설명 발견

수수께끼의 물체:
수년 동안 천문학자들은 빅뱅 직후에 나타난 밝은 붉은 점들에 대해 의문을 품어왔다. 이제 그 해답을 찾았을지도 모른다. 연구진의 발견에 따르면, 이른바 '작은 붉은 점들'은 사실 매우 젊은 초거대 블랙홀이다. 태양 질량의 1만 배에서 1천만 배에 달하는 질량을 가진 이 블랙홀들은 이전에 알려진 초기 우주의 어떤 블랙홀보다 훨씬 작지만, 그런데도 매우 밝게 빛난다고 연구팀은 학술지 '네이처'에 발표했다. 연구팀은 분광 분석을 통해 그 이유를 밝혀냈다. 

▲ 제임스 웹 우주망원경으로 촬영한 이 이미지는 초기 우주에 존재하는 작지만 매우 밝은 붉은 점들인 "작은 붉은 점들"을 여러 개 보여준다. © Cosmic Evolution Early Release Science Survey/ Finkelstein et al. 2023

이 블랙홀들은 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 촬영한 초기 이미지에서 이미 관측됐다. '작은 붉은 점들'은 멀리 떨어진 우주에서 적외선 영역에 나타난 작고 밝은 붉은 점들이다. 빅뱅 후 수억 년 사이에 존재했지만, 약 10억 년 후에 사라졌다. 그리고 그 특징 또한 오랫동안 수수께끼로 남아 있었다.

문제는 이 붉은 점들이 너무 밝고 밀집되어 있어서 초기 은하라고 보기 어렵다는 점이다. 초기 은하라면 불가능할 정도로 높은 항성 밀도를 가져야 하기 때문이다. 하지만 이 천체들은 활동적인 초거대 블랙홀이라고 하기에도 너무 밀집되어 있다. 활동적인 은하핵이라면 강렬한 X선을 방출해야 하는데, 붉은 점들의 스펙트럼 데이터에서는 그러한 X선이 관측되지 않는다. 따라서 일부 천문학자들은 이 천체들이 거대한 별로 위장한 특이한 블랙홀일 가능성을 제기했다.

스펙트럼: 텐트형인가, 종형 곡선인가?

이제 천문학자들은 이 수수께끼 같은 "붉은 점"에 대한 해답을 찾았을지도 모른다. 코펜하겐 대학교의 바딤 루사코프(Vadim Rusakov) 연구팀은 제임스 웹 우주망원경이 관측한 12개의 붉은 점 데이터를 자세히 분석했다. 특히, 뜨겁고 들뜬 수소의 특정 스펙트럼선, 즉 파장이 약 656나노미터(nm)인 Hα선의 형태에 주목했다.

▲ 넓은 Hα 성분의 존재를 기준으로 선택되었음에도 불구하고, 모든 대상은 점처럼 보이거나 매우 밀집되어 있으며, 간혹 성운의 형태를 띠기도 한다. 정지 프레임 광학 색상은 대부분 붉은색이다. 이러한 특징은 LRD(확장 데이터 그림 1 및 2)와 유사하다. 대상 A는 특이한 길쭉한 십자형 구조를 가지고 있다. 또한 이 대상은 좁은 성운선의 2차원 고해상도 스펙트럼에서 회전하는 모습을 보인다. 대상 F는 NIRCam으로 관측되지 않았다. RGB 색상은 F150W(또는 F200W), F277W 및 F444W 대역의 플럭스를 기반으로 파장에 따라 달라지는 멱법칙(지수 2)을 사용하여 스케일링되었다. 물리적 스케일(1 kpc)은 이미지 왼쪽 하단 모서리에 흰색 막대로 표시되어 있다. 각 스냅샷의 너비는 2 arc초다. (출처:Published: 14 January 2026 / Little red dots as young supermassive black holes in dense ionized cocoons / nature)

핵심은 바로 이것이다. 이 스펙트럼선의 모양은 그것이 발생한 환경에 대해 많은 것을 알려준다. Hα 선은 복사선이 방해받지 않고 방출될 수 있을 때는 종 모양의 가우시안 분포와 유사하다. 하지만 스펙트럼선이 텐트처럼 뾰족한 모양, 즉 천문학자들이 지수 함수라고 부르는 모양을 띤다면, 이는 이온화된 고밀도 가스에 의한 강한 산란을 나타낸다. 따라서 루사코프와 그의 연구팀은 작은 붉은 점들에서 Hα 선이 어떻게 나타나는지, 그리고 그것이 그 기원에 대해 무엇을 알려주는지 조사했다.

열정적인 핵을 가진 고밀도 가스 구조

결과:
붉은 점들의 수소 스펙트럼은 종 모양 곡선보다는 텐트 모양에 더 가깝다. 루사코프 연구팀은 "이 천체들의 스펙트럼선은 전자 산란에 의해 넓어지고, 내부 핵은 좁다"고 보고했다. 이는 복사선의 근원에 이온화된 가스가 고밀도로 존재하며, 빠르게 움직인다는 것을 시사한다. 또한, 이 구조들은 매우 높은 광도를 보이며, 지름은 단 몇 광일(light-day)에 불과하다.

이것이 붉은 점에 대해 알려주는 것은 무엇일까? 천문학자들에 따르면, 설명은 단 하나뿐이다. 코펜하겐에 있는 코스믹 던 센터의 공동 저자인 다라흐 왓슨은 "작은 붉은 점들은 주변의 조밀한 가스층에 둘러싸여 가스를 흡수하고 있는 어린 블랙홀들이다"며 "여기 있는 블랙홀들은 급성장기에 있는 초기 블랙홀들이다. 가스층은 블랙홀들이 빠르게 성장하는 데 필요한 연료를 제공한다"고 말했다.

▲ 작은 붉은 점의 Hα 스펙트럼과 텐트 모양을 보여주는 예시. © Rusakov et al./ Nature, CC-by 4.0

작은 크기에도 불구하고 밝은 이유

이전의 가정과는 달리, 이 초기 블랙홀들은 이미 초거대 질량을 가지고 있지만, 후기 은하핵처럼 중력이 거대한 블랙홀은 아니다. 연구팀은 "좁은 중심선은 이 블랙홀들의 질량이 1만에서 1천만 태양 질량 사이임을 나타낸다. 이는 이전에 추정했던 것보다 두 자릿수나 낮은 수치다"고 밝혔다. 이것이 붉은 점들이 매우 작고 밀집되어 보이는 이유다. 이 블랙홀들은 이 시대에 관측된 어떤 블랙홀보다도 작다.

이전의 가정과는 달리, 이 초기 블랙홀들은 실제로 초거대 블랙홀이지만, 후기 은하핵처럼 중력이 거대한 블랙홀은 아니다. 밀도가 높은 가스층은 이 초기 블랙홀들이 적외선 영역에서 매우 밝게 빛나지만, X선이나 전파는 거의 방출하지 않는 이유를 설명해 준다. 천문학자들은 "이 블랙홀들의 높은 물질 흡수율은 강력한 자외선을 발생시켜 가스층을 이온화시킨다"고 설명했다. 이온화된 가스의 높은 밀도는 활동적인 블랙홀에서 방출되는 X선과 전파를 억제한다.

왓슨은 "이 과정에서 엄청난 열이 발생하여 가스층이 밝게 빛나게 된다"고 설명했다. 데이터에 따르면, 이 블랙홀들 중 가장 밝은 것은 태양의 2천500억 배에 달하는 광도를 가지고 있다. 이 빛은 엄청난 거리에 의해 적외선 영역으로 늘어나면서, 가려진 블랙홀들이 적외선 영역에서 밝게 빛나는 것이다. "이러한 복사가 바로 작은 붉은 점들이 특유의 붉은색을 띠는 이유다.”

"우주는 유머 감각을 갖고 있다“

루사코프와 그의 연구팀은 이번 연구를 통해 오랫동안 찾아 헤매던 '작은 붉은 점들'에 대한 해답을 발견했을지도 모른다. 또한, 그들의 연구 결과는 우주에서 가장 거대하고 질량이 큰 천체, 즉 초거대 블랙홀이 어떻게 탄생했는지에 대한 중요한 정보를 제공한다. 상파울루 대학교의 천문학자 로드리고 네멘(Rodrigo Nemmen)은 "루사코프와 그의 동료들의 주장이 맞다면, 이 작은 붉은 점들은 초기 단계의 퀘이사일 가능성이 높다"고 말했다.

네멘은 이어서 "우주는 유머 감각을 갖고 있는 듯하다. 천문학에서 젊음은 보통 파란색과 연관되는데, 이는 젊은 별들이 뜨겁고 푸른빛을 띠기 때문이다. 하지만 여기서는 가장 어린 블랙홀이 붉은색을 띠고 있다"고 지적했다.

참고: Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-025-09900-4
출처: 코펜하겐 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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