항성 붕괴로 형성되지 않은 블랙홀 

초기 우주(빅뱅 후 약 700억 년)에 JWST가 관측한 작은 붉은 점(LRD) 아벨 2744-QSO1의 블랙홀은 훨씬 더 큰 은하의 물질 공급 없이 현재의 크기로 성장한 초거대 블랙홀입니다. 표준 항성 진화 모델에 따르면, 블랙홀은 수명이 다한 더 큰 별이 핵붕괴로 연료가 고갈되어 죽을 때 형성됩니다. 이러한 블랙홀은 훨씬 더 큰 은하의 물질을 흡수하며 성장합니다. 그러나 작은 붉은 점 QSO1의 블랙홀은 이러한 표준 모델에 부합하지 않으며, 새로운 블랙홀입니다. 이 블랙홀은 표준 항성 진화 과정을 거치지 않고 직접 형성되었으며, 즉 항성 잔해가 아닙니다. 거대한 죽어가는 별의 핵붕괴로 형성된 블랙홀이 아니라, 직접붕괴 블랙홀(DCBH) 또는 원시 블랙홀(PBH)일 가능성이 있습니다. 항성 붕괴로 형성되지 않은 블랙홀은 이전에도 이론화된 바 있습니다. 이는 표준적인 형성과정을 벗어난 경로를 통해 블랙홀이 형성되었음을 보여주는 증거입니다. 별의 진화.  

블랙홀은 어떻게 형성될까요? 표준적인 항성 진화 모델에 따르면, 블랙홀은 질량이 큰 별의 진화 과정의 최종 산물입니다. 별은 시간이 흐르면서 변화를 겪습니다. 

별의 생명은 은하계의 거대한 성간 가스와 먼지 구름에서 시작됩니다. 낮은 온도에서 높은 밀도로 가스가 뭉치면서 별의 생명 주기가 시작되는 것이죠. 이 덩어리들은 점차 더 많은 물질을 모아 성장합니다. 그러다 어느 순간, 중력이 증가하면서 덩어리가 붕괴됩니다. 붕괴 과정에서 발생하는 마찰로 물질이 가열되고, 어린 별이 탄생합니다. 이것이 바로 원시별 단계입니다. 중력에 의한 붕괴는 계속되어 원시별 핵의 온도와 압력이 점차 상승합니다. 결국 온도와 압력이 충분히 높아지면 수소 핵융합이 일어납니다. 핵융합은 엄청난 에너지를 방출하여 물질을 충분히 가열하고, 중력에 의한 추가 붕괴를 막습니다. 이것이 바로 별의 '주계열 단계'입니다. 수소가 주 연료가 됩니다. 

연료가 고갈되면 핵융합이 멈추고, 중력에 맞서 물질을 가열할 에너지가 없어지면서 핵이 붕괴되어 밀집된 잔해만 남게 됩니다. 이것이 별의 최후입니다. 죽은 별, 즉 밀집된 잔해는 백색왜성, 중성자별 또는 태양계 항성계가 됩니다. 블랙홀 원래 별의 질량에 따라 다릅니다. 태양 질량의 20배(>20 M⦿)보다 무거운 별은 항성 진화의 마지막 단계에서 연료가 고갈되면 블랙홀이 됩니다. 이것이 일반적인 과정입니다. 별과 은하가 먼저 형성되고, 블랙홀은 항성 진화의 최종 단계로 나중에 형성됩니다. 이러한 블랙홀의 질량은 은하 전체 질량보다 훨씬 작습니다. 

항성 이외의 경로를 통한 블랙홀 형성

항성 핵붕괴 외에 다른 방식으로 블랙홀이 형성될 수 있을까요? 두 가지 "비항성" 형성 경로가 이론화되었습니다. 

초기 우주에서 거대한 원시 가스 구름은 일반적인 별 형성 및 진화 과정을 거치지 않고 직접 블랙홀로 붕괴될 수 있으며, 이를 직접 붕괴 블랙홀(DCBH)이라고 합니다. 표준적인 항성 진화 과정을 거치지 않고 직접 형성된 또 다른 가상의 블랙홀은 원시 블랙홀(PBH)입니다. PBH는 빅뱅 직후 극초기 우주의 극심한 밀도 변동 속에서 형성된 빅뱅의 잔재입니다. 

"비항성" 경로를 통해 형성된 블랙홀은 이론상으로만 존재하며, 가설에 불과합니다. 하지만 2021년 12월, 초기 우주 연구를 위한 적외선 우주 관측소인 JWST가 발사되면서 상황은 빠르게 변화하기 시작했습니다.

제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 초기 우주 연구에 혁명을 일으켰습니다. 

JWST는 초기 우주에 대한 우리의 이해에 도전하는 여러 관측 결과를 내놓았습니다. 적색편이 14.32에서 관측된 JADES-GS-z14-0 은하는 현재까지 알려진 가장 멀리 떨어진 은하입니다. 이 은하는 빅뱅 후 약 2억 9천만 년 후에 형성되었지만, 거대하고 질량이 크며 매우 밝은 은하입니다. 또한 금속 함량이 높은 것으로 밝혀졌는데, 이는 초기 우주에서 약 2억 9천만 년 전에 이미 여러 세대의 질량이 큰 별들이 탄생부터 초신성 폭발까지의 생애 과정을 마쳤음을 의미합니다. 마찬가지로, 빅뱅 후 약 10억 년 후에 형성된 초기 우주 은하 GS-NDG-9422는 화학적으로 복잡한 구성을 가지고 있으며, III형 항성이 존재하지 않는 것으로 나타났습니다. 현재의 이해에 따르면 초기 우주의 첫 번째 세대 항성은 금속 함량이 0인 III형 항성이어야 합니다. (천문학에서 헬륨보다 무거운 원소는 모두 금속으로 간주됩니다. 산소, 질소 등과 같은 화학적으로 비금속인 원소도 우주론적 관점에서는 금속입니다. 별들은 초신성 폭발 이후 세대가 거듭될수록 금속이 풍부해집니다.) 

JWST는 초기 우주의 초거대 블랙홀도 관측했습니다. 그중 하나는 빅뱅 후 약 700억 년이 지난 시점에 형성된 것으로, 태양 질량의 수백만 배에 달하는 것으로 측정되었습니다. 이 모든 것은 JWST가 2022년 첫 데이터 공개에서 발견한 작은 붉은 점(LRD) 관측에서 시작되었습니다. 이 붉은색의 밀집 천체들은 V자형 스펙트럼을 보였으며, 고속 수소 가스에서 방출되는 빛을 보여주었습니다. 

작은 빨간 점 QSO1 (또는 Abell2744-QSO1) 

QSO1(또는 Abell2744-QSO1)은 지름 약 1,300광년, 지구에서 13억 광년 이상 떨어진 곳에 위치한 전형적인 작은 붉은 점입니다. 이 은하는 빅뱅 후 약 700억 년이 지난 초기 우주에 존재했습니다. 아벨 2744(판도라의 성단)의 중력 렌즈 효과로 ​​인해 확대되어 세 개의 다른 위치에 나타나는 삼중상을 형성합니다. 따라서 QSO1은 다른 대부분의 작은 붉은 점보다 연구하기가 더 쉽습니다. 

이 작은 붉은 점(LRD)에 대한 상세한 연구를 통해 연구진은 일부 초거대 블랙홀이 처음부터 엄청나게 거대했다는 결론을 내렸습니다. 이들은 항성 붕괴 단계나 블랙홀에 물질을 공급할 훨씬 더 거대한 숙주 은하 없이 형성되었습니다. 

QSO는 준성체(Quasi-Stellar Object, 일반적으로 퀘이사라고 함)의 약자입니다. 

초기 연구에서는 QSO1이 태양 질량의 약 40천만 배에 달하는 초거대 블랙홀 주위를 도는 빛나는 수소와 헬륨 가스 구름 그 이상이라는 사실이 밝혀졌습니다. 하지만 그 블랙홀의 질량이 실제로 그만큼 큰지에 대해서는 불확실성이 존재했습니다. 그 이유는 지금까지 초기 우주의 블랙홀 질량 측정은 모두 간접적인 방식이었으며, 주변 우주에서의 블랙홀 관측 결과를 바탕으로 한 가정에 의존했기 때문입니다. 이러한 가정이 초기 우주에도 실제로 적용되는지 확신할 수 없었던 것입니다. 

연구진은 QSO1의 블랙홀이 정말로 그렇게 거대하다면, JWST의 적분장 장치(IFU)를 사용하여 블랙홀 주변을 소용돌이치는 가스에 미치는 중력의 영향을 추적하고 가스 내 다양한 ​​원소의 분포를 매핑할 수 있을 것이라고 판단했습니다. 따라서 그들은 IFU 관측을 활용하여 블랙홀 주변 수소 가스의 움직임을 매핑했습니다. 

중심으로부터의 거리에 따른 회전 속도 그래프를 분석한 결과, 가스가 케플러 운동을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 작은 붉은 점 QSO1의 질량 대부분이 중심 블랙홀에 집중되어 있음을 의미합니다. 만약 질량이 고르게 분포되어 있었다면, 태양계의 행성들이 태양 주위를 공전하는 것처럼 완벽한 케플러 궤도를 따라 중심점을 공전할 수 없었을 것입니다. 

케플러 운동이 중력 법칙의 지배를 받는다는 점을 고려할 때, 가스 속도 측정값을 통해 연구진은 블랙홀의 질량을 직접 계산할 수 있었습니다. 이는 초기 우주 블랙홀의 질량을 직접 측정한 최초의 사례였습니다. QSO1의 블랙홀은 약 5천만 태양 질량에 달하는 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 이 블랙홀은 QSO1 전체 질량의 3분의 2를 차지합니다. 이는 매우 이례적인 현상인데, 일반적으로 인근 은하에 있는 초거대 블랙홀은 해당 은하 전체 질량의 극히 일부만을 차지하기 때문입니다.

또한, IFU 구성 지도 분석 결과 QSO1 전체의 가스는 거의 전적으로 수소와 헬륨으로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 별과 항성 잔해가 풍부한 은하라면 산소와 같은 무거운 원소도 존재해야 하지만, QSO1은 태양의 0.5%에도 미치지 못하는 극히 낮은 금속 함량을 가지고 있어 매우 원시적인 은하 환경을 지니고 있음을 시사합니다.

QSO1의 엄청난 질량은 모은하에 비해 매우 큰 것으로 보아, 작은 항성 질량의 블랙홀들이 점진적으로 합쳐지고 흡수되면서 형성된 것이 아님을 시사합니다. 작은 붉은 점 QSO1의 블랙홀은 항성 진화 과정보다 훨씬 이전에 존재했을 가능성이 높습니다. 이 블랙홀은 빅뱅 직후 1초 이내에 형성된 무거운 씨앗(원시 블랙홀)에서 진화했거나, 혹은 그보다 조금 후에 거대한 가스 구름이 붕괴하면서 생성된 직접 붕괴 블랙홀일 수 있으며, 어쩌면 주변에 은하를 형성하는 초기 단계에 있을지도 모릅니다. 현재로서는 작은 붉은 점 QSO1의 초거대 블랙홀이 원시 블랙홀(PBH)인지 직접 붕괴 블랙홀(DCBH)인지 단정 지을 수는 없지만, 초기 우주에서 항성 이외의 경로로 블랙홀이 형성되었다는 증거는 존재합니다.

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참조 : 

1. 마이올리노 R., 외 2026. 빅뱅 후 7억 년이 지난 거의 원시적인 은하에 있는 블랙홀. 왕립천문학회 월간회보, 제548권 1호, 2026년 5월, staf2109. 2026년 4월 6일 발행. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. 외. 높은 적색편이의 작은 붉은 점(little red dot)에서 블랙홀 질량을 직접 측정함. Nature 653, 1017–1021 (2026). 2026년 5월 27일 출판. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASA의 웹 우주망원경이 은하 형성 이전에 만들어진 블랙홀을 발견했습니다. (게시일: 2026년 5월 27일) https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

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