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[IT뉴스]100억년 전의 빛 ‘리틀 레드 닷’… 우주에 대한 근본 질문을 바꿨다[Science]

온카뱅크관리자

2026-07-06 09:27:34

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> ■ 제임스웹 우주망원경 ‘블랙홀 시사’ 증거 포착 현재까지 LRD 340개 찾았지만 정체를 놓고 학자들은 갑론을박 초기 천체 GLIMPSE-17775서 가스에 싸인 블랙홀 단서 관측 그동안 천문학계의 난제였던 ‘초기 우주서 은하 급성장’ 이 ‘초기 블랙홀 급성장’으로 전환 우주 진화 비밀 풀 실마리 기대 
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 제임스웹 우주망원경(JWST)이 우주로 올라간 지 어느덧 4년 반이 넘었다. JWST는 그간 우리가 보지 못했던 우주 구석구석을 관찰해 심우주의 신비와 경이로움을 선사해왔다. 그중엔 여전히 풀리지 않는 수수께끼가 많다. 대표적인 사례가 100억 년 전의 빛으로 추정되는 작고 붉은 점들, ‘리틀 레드 닷’(Little Red Dot·LRD)이다.
 JWST는 현재까지 약 340개의 LRD를 발견했다. 역대 최고의 관측도구를 손에 넣은 인류는 우주 곳곳에서 사진에 찍히는 이 붉은 점의 정체를 아직 밝혀내지 못했다. 그런데 최근 이 붉은 점이 사실 별이 아니라 가스에 둘러싸인 블랙홀일 수 있다는 증거가 나왔다. 과학자들은 우주 초기에 나타난 점들의 정체를 밝혀내면 우주의 초기 성장 과정을 알아낼 수 있을 것이라 기대하고 있다.
 ◇빅뱅 18억 년 뒤 우주의 붉은 점= 나사(미 항공우주국)와 유럽우주국(ESA)은 지난달 10일 JWST가 초기 우주 천체 ‘GLIMPSE-17775’에서 가스 고치에 싸인 급성장 블랙홀을 시사하는 스펙트럼 증거를 확보했다고 밝혔다. GLIMPSE-17775는 은하단 ‘아벨 S1063’ 뒤쪽에 있는 LRD다. 적색편이는 3.5로, 현재 지구에서 빅뱅 약 18억 년 뒤의 우주를 보고 있다는 뜻이다.
 관측이 가능했던 배경에는 ‘중력렌즈’ 효과가 있다. 지구와 GLIMPSE-17775 사이에 놓인 거대한 은하단 아벨 S1063의 중력이 뒤쪽 천체에서 오는 빛을 휘게 하고 확대하면서, 원래보다 더 밝고 자세한 정보를 얻을 수 있었다. JWST가 실제 수행한 분광 관측은 약 30시간이었지만 중력렌즈 효과 덕분에 약 80시간 관측에 해당하는 깊이의 자료가 확보됐다. 연구진은 이를 지금까지 LRD에서 얻은 가장 깊은 스펙트럼 중 하나로 평가했다.
 ◇‘작고 붉은 점’ LRD가 뭔데= LRD를 발견한 과학자들은 이 붉은 점의 정체를 두고 고민해왔다. 과학자들은 천체를 관측할 때 빛을 파장대별로, 즉 색깔별로 나누어 본다. 스펙트럼은 천체에서 온 빛을 파장별로 나눈 ‘빛의 지문’이다. 어떤 원소가 있는지, 가스가 얼마나 뜨겁고 조밀한지, 천체 내부에서 어떤 물리 현상이 벌어지는지 추적할 수 있다. 별들이 갓 태어난 상태라면 뜨거운 별들이 자외선을 많이 방출해 푸른빛이 강한 편이다. 별빛 스펙트럼이 붉다는 것은 즉 ‘나이 많은 별’이 많이 있다는 뜻이다.
 여기서 문제가 발생한다. 만약 이 붉은 점들이 늙은 별빛이라면 빅뱅 직후 은하가 예상보다 훨씬 빨리 커졌다는 뜻이 된다. 초기 우주에 늙은 별이 많은 은하가 있다고 보기엔 현대 과학에서 우주의 나이가 너무 어린 탓이다. 빅뱅 뒤 10억 년 안팎 우주에서 이미 수억 살은 되어 보이는 노인이 관측된 것이다.
 ◇별빛 아니라 블랙홀 빛이었나= 블랙홀이 주변의 각종 먼지와 가스들을 끌어당기는 과정에서 마찰열이 발생해 빛나는 ‘강착 원반’의 빛이라면 이를 일부 설명할 수 있다. 다만 블랙홀에선 강한 X선이 자주 관측되어야 하는데 LRD에선 잘 보이지 않는다는 점이 남아 있었다. GLIMPSE-17775는 이 빈틈에 “가스 고치가 블랙홀을 가렸다”는 설명을 제시한 사례다.
 연구진은 ‘블랙홀 별’ 시나리오를 제시했다. 이름만 보면 별처럼 들리지만 실제 별을 뜻하지는 않는다. 중심에는 빠르게 물질을 빨아들이며 성장하는 블랙홀이 있고, 그 주변을 뜨겁고 밀도 높은 가스 고치가 감싸고 있다는 모델이다. 블랙홀 근처에서 나온 강한 빛이 가스 고치를 통과하며 흡수·산란·재방출되고, 그 결과 멀리서는 작고 붉은 점처럼 보인다는 설명이다.
 연구진은 GLIMPSE-17775에서 40개가 넘는 방출·흡수 스펙트럼선을 확인했다. 결정적 단서는 선의 모양이었다. 보통 가스가 내는 빛은 비교적 매끈한 종 모양의 선으로 나타나지만, GLIMPSE-17775의 일부 방출선은 양쪽으로 긴 날개를 가진 형태였다. 연구진은 이를 빛이 고밀도 자유전자층을 통과하며 여러 차례 산란한 결과로 해석했다. 빛이 자유전자와 부딪히며 진행 방향이 바뀌는 과정에서 파장이 조금씩 밀리고 당겨지면서, 방출선 양쪽이 길게 늘어났다는 것이다. 연구진은 이 가스의 전자 밀도를 1㎤당 약 1억 개 수준으로 추정했다.
 수소와 산소가 남긴 선의 폭이 거의 같다는 점도 주목됐다. 두 원소가 같은 고밀도 영역에서 함께 움직이며 빛을 냈다는 신호로 해석되기 때문이다. 헬륨선에서는 빛을 내는 방출선과 함께, 우리 쪽으로 다가오는 가스가 빛을 흡수한 흔적도 포착됐다. 이는 가스가 천체 안에 정지해 있는 것이 아니라 바깥으로 흘러나오고 있음을 시사한다. 산소선과 철선 역시 중심부의 강한 자외선 광원이 주변 원자를 들뜨게 해야 나타나는 방식으로 검출됐다. 특히 근적외선 영역에 16개의 철 방출선이 빽빽하게 모인 ‘철 숲’은 강한 빛과 고밀도 가스가 동시에 존재한다는 해석을 뒷받침했다.
 ◇초기 블랙홀 성장의 단서= 이번 관측의 의미는 JWST가 초기 우주에서 숨어 있던 블랙홀 성장 단계를 포착하기 시작했다는 데 있다. 논쟁의 초점이 초기 은하가 너무 빨리 성장했느냐에서, 초기 블랙홀이 어떻게 그렇게 빠르게 성장했느냐로 옮겨가는 셈이다.
 다만 아직 풀어야 할 퍼즐도 있다. ‘발머 브레이크’는 GLIMPSE-17775 해석에서 남은 주요 퍼즐이다. 발머 브레이크는 스펙트럼에서 특정 파장을 기준으로 빛의 밝기가 계단처럼 꺾이는 현상이다. 짧은 파장의 빛은 수소에 흡수돼 약해지고, 긴 파장의 빛은 상대적으로 그대로 통과하면서 밝기 차이가 생긴다. 이 차이가 클수록 특정 상태의 별이나 가스가 많이 있다는 뜻으로 해석된다. GLIMPSE-17775에서는 이 값이 상대적으로 낮았다. 연구진은 허블우주망원경 자료를 함께 분석해, GLIMPSE-17775 주변에 젊고 푸른 별들을 품은 모체 은하가 퍼져 있다는 점을 확인했다. 이 젊은 별빛이 원래 어두워져야 할 짧은 파장 쪽을 채워 넣은 결과 실제보다 발머 브레이크가 약하게 보일 수 있다는 것이다.
 결국 GLIMPSE-17775는 ‘초기 우주에서 은하가 너무 빨리 컸다’는 문제를 ‘블랙홀이 어떻게 그렇게 빨리 성장했는가’라는 문제로 바꿔놓은 셈이다. 두꺼운 가스 속에 자리 잡은 블랙홀이 주변 물질을 빠르게 빨아들이며 몸집을 키우는 장면을 JWST가 포착했을 가능성이 있다는 의미다.
 구혁 기자
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