기존 이론 뒤집는 ‘블랙홀’ 발견...제임스웹이 본 우주는 허블 망원경과 달랐다

지금까지 확인된 가장 오래 된 블랙홀을 포함한 '작은 붉은 점 은하' CAPERS-LRD-z9'/미국 텍사스 대학교

우주의 시작이었던 138억년 전 빅뱅 후 불과 5억년만에 형성된 블랙홀이 발견 됐다. 지금까지 발견된 블랙홀 중 가장 오랜된 것이다. 문제는 현재 정립된 우주 이론에 의하면 당시엔 별의 밀도가 낮아 블랙홀이 형성되지 못했을 것으로 추정해 왔다는 사실이다. 기존의 우주 진화에 대한 이론을 뒤집을 수 있는 발견이다.

블랙홀은 별이 수축해 만들어지며 밀도가 높고 중력이 워낙 강력해 빛조차 빠져나올 수 없다. 지구가 엄지손가락 정도의 크기로 압축되면 블랙홀이 된다고 한다.

미국 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 천문학자 앤서니 테일러 박사가 이끄는 연구진은 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 이용해 130억년 훨씬 이전에 생성된 우주 초기의 블랙홀 ‘CAPERS-LRD-z9’를 발견했다.

이 블랙홀은 ‘작은 붉은 점’이라고 불리는 은하의 일종으로, JWST의 고성능 적외선 센서로 관측하면 은하가 이동하면서 붉은빛을 방출하는 것처럼 보여 붙여진 이름이다. 이 은하들은 밝은 빛을 내고 있는데 은하 내부에 많은 별을 포함하고 있기 때문으로 분석된다.

문제는 현재의 우주 이론에 따르면 이 은하들이 형성된 초기 우주에는 별이 많지 않았다. 연구에 참여했던 스티븐 핀켈스타인 천문학자는 “JWST로 발견한 ‘작은 붉은 점 은하’들은 허블 우주망원경으로 본 은하와 전혀 다른 모습이어서 깜짝 놀랐다.”면서 “이 은하들이 어떻게 만들어졌고, 어떤 모습인지 파악 중”이라고 했다.

JWST 망원경은 미항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 허블망원경의 후계기로 공동 개발해 지난 2021년 지구궤도로 발사됐다. 주요 임무는 빅뱅으로 추정되는 우주 탄생과 기원을 탐사하는 것이다.

연구진은 JWST를 이용해 관찰한 결과 이들 은하에서 빠르게 움직이는 가스가 블랙홀로 빨려들어 갈 때 발생하는 빛의 파장을 갖는다는 사실을 발견했다. 붉은 점 은하 중심에 블랙홀이 있을 가능성이 높다는 것이다. 그동안 작은 붉은 점 은하보다 더 오래된 은하들도 발견됐지만 이런 빛 패턴을 갖는 경우는 없었다. 즉 지금까지 확인된 블랙홀 중 가장 오래됐다는 의미다.

특히 이 은하 중심에 있는 블랙홀의 중량은 태양의 3,800만 배에 이를 정도로 무거웠다. 우리은하의 중심에 있는 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A보다 약 10배나 더 무겁다. 또한 블랙홀의 질량은 블랙홀이 속한 은하의 모든 별을 합친 것의 5%에 달했다. 이 비율은 현대 은하에서 관찰되는 것을 훨씬 초과하는 것이다.

핀켈스타인 박사는 “이는 초기 블랙홀이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 빨리 성장했다는 사실을 뒷받침하거나 아니면 모델이 예측하는 것보다 훨씬 더 큰 규모로 시작했을 수 있다.”고 했다.

연구진은 이 은하가 붉게 보이는 이유에 대해서는 블랙홀을 둘러싼 밀집된 가스구름이 방출된 빛을 더 길고 붉은 파장으로 바꾼 결과로 분석했다.

연구진은 이 은하에 대한 연구는 초기 우주의 블랙홀과 은하에 대해 보다 진전된 지식을 제공하게 될 것이라고 했다. 이 연구 결과는 지난 6일 천체물리학 저널 레터스(LETTERS)에 발표됐다.