JWST, 초기 우주 이론 뒤엎는 블랙홀과 은하들 포착

제임스 웹 우주망원경(JWST)이 빅뱅 후 약 6억 5천만 년 뒤부터 나타나기 시작한 수백 개의 수수께끼 같은 '작은 붉은 점'을 발견했다. 이는 천문학자들의 초기 우주에 대한 이해를 뒤흔들고 있다. 2022년 망원경 가동 이후 처음으로 발견된 이 천체들은 나이에 비해 터무니없이 거대한 블랙홀, 우주 진화의 기존 이론을 거스르는 고대 은하 등 여러 미스터리 중 하나다.

코펜하겐의 우주 새벽 센터(Cosmic Dawn Center)의 천체물리학자 샬럿 메이슨(Charlotte Mason)은 작은 붉은 점 하나의 빛 스펙트럼을 분석했다. 만약 이 천체들이 밀집된 가스 구름에 싸인 블랙홀이라면, 일부 빛이 가스를 통과하면서 변형되어야 하지만, 그녀 팀의 분석 결과는 이를 보여주지 않았다. 메이슨은 이제 가스가 뭉쳐 있어 빛이 빠져나갈 구멍이 있을 수 있으며, 이것이 관측 결과를 더 잘 설명할 수 있다고 의심하고 있다.

JWST가 초기 우주에서 발견한 블랙홀들은 태양 질량의 최대 10억 배에 달해 이론가들에게 큰 도전이 되고 있다. 프린스턴 대학의 천체물리학자 제니 그린(Jenny Greene)은 "그렇게 빨리 그렇게 커지려면 체조를 해야 한다"고 말했다. 표준적인 항성 붕괴는 약 100 태양 질량의 씨앗 블랙홀을 만들지만, 10억 태양 질량에 빠르게 도달하려면 에딩턴 한계를 넘는 '강제 급식'이 필요하다. 최근 시뮬레이션에 따르면 강착 원반이 부풀어 오르면 가스가 엄청난 속도로 유입되어 초에딩턴 강착이 일어날 수 있다. 2024년 JWST는 빅뱅 후 약 15억 년 뒤의 블랙홀이 에딩턴 한계의 40배 속도로 물질을 흡수하는 것을 관측했다.

또 다른 작은 붉은 점은 빅뱅 후 약 7억 5천만 년 뒤의 것으로, 앞쪽 은하단의 중력 렌즈 효과로 관측되었으며, 약 5천만 태양 질량의 '벌거벗은' 초대질량 블랙홀로 확인되었다. 주변에 별이 뚜렷이 보이지 않는 이 천체는 항성 씨앗이 아닌 가스 구름의 직접 붕괴를 통해 형성되었을 수 있다.

초기 은하들도 놀랍도록 밝다. 플래티런 연구소(Flatiron Institute)의 선임 연구원 레이첼 서머빌(Rachel Somerville)은 2026년 4월 덴마크 헬싱외르에서 열린 회의에서 새로운 시뮬레이션을 발표했다. 그녀는 빅뱅 후 약 4억 2천만 년이 지나면 별 형성이 크게 증가하고, 5억 5천만 년이 지나면 '멋진 은하'가 나타난다고 설명했다. JWST가 발견한 가장 오래된 은하는 빅뱅 후 2억 8천만 년밖에 되지 않았다. 밝기의 원인으로는 더 효율적인 별 형성, 주기적인 폭발, 또는 매우 무거운 별의 생성 등이 제안되고 있다.

JWST의 중적외선 기기는 초기 은하들이 예상외로 다양하다는 것을 보여주었다. 일부는 가스와 먼지를 제거하고 별만 드러낸 반면, 다른 일부는 가스가 풍부한 상태를 유지하고 있다. 특정 은하에서 질소가 과잉 발견된 것은 초신성으로 폭발한 매우 무거운 별들이 많았고, 그 원소를 은하에 뿌렸다는 것을 시사한다.

이러한 관측은 최초의 은하와 블랙홀에서 나온 복사가 중성 수소를 이온화하여 우주의 암흑 시대를 끝낸 재이온화 시대와 연결된다. 태양보다 수백 배에서 수천 배 무거웠을 것으로 추정되는 최초의 별들은 무거운 원소를 만들어 초신성을 통해 퍼뜨렸다. "우리는 우리를 만든 것을 보고 있는 것입니다"라고 우주 새벽 센터의 천체물리학자 리세 크리스텐센(Lise Christensen)은 말했다.