빅뱅(Big Bang) 후 불과 수억 년밖에 지나지 않은 초기 우주에서 거대한 별처럼 보이지만 실제로는 초고밀도 가스에 둘러싸인 블랙홀로 추정되는 '블랙홀 별'(Black Hole Star)이 처음으로 포착됐다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 로한 나이두 박사가 이끄는 국제 연구팀은 13일 과학 저널 네이처(Nature)에서 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 빅뱅 6억6천만년 후 우주에서 별과 블랙홀의 특성을 동시에 보이는 새로운 유형의 천체 '블랙홀 별'(MoM-BH*-1)을 발견했다고 밝혔다.

연구팀은 이 블랙홀 별 중심부에 태양 질량의 약 100만~1천만 배 크기 중심 블랙홀이 있고, 주위를 태양계 정도 크기로 초고밀도 수소 가스층이 둘러싸고 있는 것으로 보인다고 말했다.

MoM-BH*-1은 제임스 웹 우주망원경의 근적외선 카메라 영상에서 유난히 붉고 밝은 점으로 포착됐다.

이 천체는 태양계 정도 크기의 거대한 별과 비슷하지만 에너지 방출량은 알려진 어떤 별도 물리적으로 만들어낼 수 있는 것보다 1천억 배나 많은 것으로 나타났다. 이는 초대질량 블랙홀이 만들어낼 수 있는 에너지 규모에 가깝다.

또 분광 관측에서는 3~4㎛ 부근에서 빛의 세기가 20배 이상 급격히 떨어지는 강한 '발머 단절'(Balmer break)이 확인됐다. 발머 단절은 일반적으로 젊은 별이나 별 집단의 스펙트럼에서도 나타날 수 있지만, 이 천체에서 관측된 단절은 별만으로 설명할 수 있는 범위를 크게 넘어섰다.

연구팀은 MoM-BH*-1가 내뿜는 엄청난 양의 에너지나 강력한 발머 단절 등으로 볼 때, 별만으로는 이 천체의 특이한 스펙트럼을 설명하기 어렵다며 중심 블랙홀과 이를 둘러싼 극도로 조밀한 가스를 함께 고려한 모형을 제시했다.

이어 MoM-BH*-1의 정체를 밝히기 위해 다양한 조건을 적용한 수많은 분광합성 모형을 시뮬레이션해 어떤 구조가 관측 결과를 가장 잘 설명하는지 분석했다.

그 결과 태양 질량의 약 100만~1천만 배로 추정되는 중심 블랙홀이 있고 주위를 극도로 밀도가 높은 난류성 수소 가스가 둘러싸고 있을 경우, MoM-BH*-1에서 관측된 에너지 방출량과 스펙트럼 특성 등과 가장 잘 일치하는 것으로 나타났다.

연구팀은 중심의 활동성 블랙홀에서 나온 복사 에너지가 주위의 초고밀도 수소 가스층을 통과할 경우, MoM-BH*-1이 독특하게 붉은 모습을 보이는 것과 스펙트럼에서 강력한 발머 단절이 나타나는 현상 등이 잘 설명된다고 말했다.

가장 적합한 모형에서는 수소 입자 밀도가 1㎤당 약 1천억 개에 이르고, 난류 속도는 초속 약 500㎞, 블랙홀을 둘러싼 가스층 규모는 약 10~100천문단위(AU : 약 1억5천만㎞)로 나타났다.

연구팀은 이 천체를 탐사 프로그램 이름을 따 MoM-BH*-1으로 명명하고, '블랙홀 별'이라는 별칭을 붙였다. 블랙홀 별은 이 천체가 초기 단계 우주에서 고밀도 가스로 둘러싸인 채 급속히 성장하는 블랙홀일 가능성을 의미한다.

이들은 이 연구가 그동안 제임스 웹 우주망원경이 초기 우주에서 잇달아 포착한 수수께끼 천체인 '작은 붉은 점'(little red dots)의 정체를 이해하는 데 기여할 것으로 기대하고 있다.

나이두 박사는 "이 작은 붉은 점들은 초기 우주 어디에나 있는 것처럼 보이지만 현재 우주에서는 사실상 사라졌다"며 "이 천체들이 정확히 무엇인지는 제임스 웹 우주망원경 가동 이후 가장 많은 논쟁을 불러일으킨 주제 중 하나"라고 말했다.

이어 "모든 작은 붉은 점들은 일반적인 초기 은하에 있는 블랙홀 별이라고 보면 설명이 된다"며 "하지만 MoM-BH*-1이 특별한 점은 블랙홀 별이 주변의 모은하보다 훨씬 밝아 우리가 순수한 블랙홀 별의 빛을 보고 있는 셈이라는 것"이라고 덧붙였다.

◆ 출처 : Nature, Rohan Naidu et al., 'A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn', https://www.nature.com/articles/s41586-026-10846-4