작은 붉은 점들, 성장해 일반 은하로 변할 가능성…연구 결과

사라지는 개체군, 모습이 달라지고 있을 수 있다

제임스 웹 우주망원경으로 발견한 작고 밀집된 천체 98개를 분석한 연구에 따르면, 초기 우주의 정체불명 ‘작은 붉은 점’이 드물어진 이유는 이 천체들이 일반 은하의 특성에 가까워지도록 성장했기 때문일 수 있다. 가장 강력한 증거는 이들의 주변 환경에서 나온다. 초기에는 상대적으로 드문드문한 지역에 있던 천체들이 우주가 나이를 먹으면서 다른 은하와 더 비슷한 환경에 자리하는 것으로 나타났다.

연구진은 암흑물질 헤일로의 질량도 급격히 증가한다는 점을 확인했다. 암흑물질 헤일로는 은하를 결속하는 데 도움을 주는, 눈에 보이지 않는 구조다. 논문은 적색편이 7.5에서 헤일로 질량이 최대 약 126억 태양질량이며, 적색편이 3.5에서는 약 2,000억 태양질량으로 증가한다고 제시했다. 이는 상대적으로 작은 헤일로가 일반적인 은하와 관련된 질량 규모로 커지는 전환을 시사한다.

연구는 화중과학기술대 물리학부의 장화녠 부교수와 우칭원 교수가 주도했으며, 베이징대와 중국과학원 고에너지물리연구소 등 여러 기관 연구진이 참여했다. 박사과정생 장천쉬안은 제1저자로 기재됐다. 발표 자료에 따르면 이 연구는 베이징 시간으로 2026년 10월 8일 온라인 학술지 네이처 애스트로노미에 게재됐다.

저자들의 작은 붉은 점 연구는 은하나 블랙홀이 문자 그대로 사라진다는 설명보다 진화 과정에 따른 설명을 뒷받침한다. 다만 결론의 범위는 완전한 해답보다 좁다. 환경에 관한 증거는 은하 발달의 짧은 단계를 거친다는 설명과 부합하지만, 그 단계를 만들고 끝내는 물리적 과정은 여전히 불확실하다.

이 천체들은 무엇이 특이한가?

작은 붉은 점은 유난히 작고 독특한 색을 띤다. 눈에 보이는 구조의 크기는 수백 파섹에 불과할 수 있다. 1파섹은 약 3.26광년이다. 상당수는 웹 망원경의 근적외선 카메라 이미지에서도 분해되지 않는다. 즉 망원경으로 내부 구조를 구분할 수 없다.

이들의 스펙트럼을 천체 자체에서 보이는 자외선 및 가시광선 파장에 걸쳐 나타내면 독특한 V자 형태를 띤다. 자외선 파장에서는 기울기가 파랗고 가시광선 파장에서는 급격히 붉어지며, 전이 지점은 수소가 빛을 흡수하는 방식과 관련된 경계인 발머 한계 부근이다. 천문학자들은 단순히 붉은색이라는 점이 아니라 이런 특징의 조합으로 이 개체군을 식별한다.

또한 상당수에서는 폭이 초속 약 1,000㎞를 넘는 넓은 수소 방출선이 관측된다. 이 폭이 중심 블랙홀의 중력에 따라 움직이는 가스를 반영한다면, 블랙홀 질량은 약 100만~1억 태양질량에 이른다는 뜻이다. 이런 해석이 작은 붉은 점을 블랙홀 성장의 가능한 현장으로 보는 주요 이유다.

그러나 이들의 모습은 하나의 확고한 설명만으로는 맞아떨어지지 않는다. 밀도 높은 가스로 흡수선과 엑스선 검출의 부재를 설명할 수 있다. 먼지가 빛을 붉게 만들 수도 있지만, 먼지 방출을 직접 강하게 검출하지 못했다는 점은 단순한 먼지 설명에 걸림돌이다. 다른 가설로는 블랙홀에 물질을 공급하는 본래 붉은 원반이나 중심 광원을 둘러싼 고밀도 가스가 있다.

후보 170개에서 환경을 측정한 98개로

연구진은 세 개의 목록을 결합해 적색편이 2~9에 걸친 서로 다른 작은 붉은 점 170개로 구성된 통합 표본을 만들었다. 환경과 군집 분석에는 이 가운데 적색편이 3~7인 천체 98개를 추려 여섯 개의 심층 관측 영역, 즉 A2744, CEERS, GOODS South, GOODS North, COSMOS, UDS를 대상으로 분석했다.

적색편이는 빛이 지구까지 오는 동안 우주 팽창으로 얼마나 늘어났는지를 나타낸다. 일반적으로 적색편이가 클수록 천문학자들이 더 이른 시기의 우주를 관측한다는 뜻이다. 분석에 사용한 네 구간에는 적색편이 3~4의 천체 16개, 4~5의 24개, 5~6의 33개, 6~7의 25개가 포함됐다.

최종 분석에 포함된 작은 붉은 점은 모두 분광 적색편이를 갖고 있었다. 이는 색만으로 추정한 값이 아니라 스펙트럼에서 측정한 값이다. 비교 은하 목록에는 천체 17,636개가 있었으며, 이 가운데 727개는 분광 적색편이를 갖고 있었다. 나머지 천체에는 여러 필터로 측정한 값을 바탕으로 추정한 적색편이를 적용했고, 품질 기준을 충족하는지 확인하고 관측 깊이가 실질적으로 비슷한 개체군끼리 비교했다.

증거는 주변 환경에 있다

연구진은 각 작은 붉은 점을 중심으로 원통형 영역 안에 있는 인근 은하의 수를 세어 환경을 측정했다. 관측값을 관측 영역의 범위와 깊이를 반영한 무작위 분포에서 예상되는 은하 수와 비교했다. 예상치보다 은하 수가 적으면 상대적으로 한산한 환경이라는 뜻이다.

분석에서는 관측 방향을 따라 초속 ±2,500㎞의 속도 범위를 사용했다. 관측 영역의 크기가 제한돼 투영 반경은 최대 약 5 역 h 공변 메가파섹이었다. 공변 거리는 우주 팽창을 고려한 거리로, 서로 다른 시대의 대규모 구조를 비교할 수 있게 해 준다.

적색편이 4보다 높은 구간에서 작은 붉은 점 주변의 은하 밀도는 측정한 모든 반경에서 비교 은하보다 낮았다. 적색편이 3~4에서는 환경이 비슷해졌다. 그렇다고 초기 작은 붉은 점이 모두 홀로 있었다는 뜻은 아니다. 개체군 전체로 보면 같은 시기에 관측된 일반 은하보다 덜 붐비는 지역에 있었다는 의미다.

연구진은 상대적으로 얕은 UDS 관측 영역을 제외해 관측 범위에 따른 민감도를 점검했으며, 주요 결과는 그대로 나타났다. 또한 관측 영역을 한 번에 하나씩 제외하고 분석을 반복해 불확실성을 추정했다. 이런 점검을 통해 특정한 하늘의 한 구역이 결과를 좌우하는지 평가할 수 있다.

헤일로 성장, 두 번째 증거

연구진은 서로 다른 거리에서 작은 붉은 점이 은하 근처에 얼마나 자주 나타나는지도 측정했다. 이 군집 분석으로 모은 암흑물질 헤일로의 질량을 통계적으로 추정할 수 있다. 개별 천체의 질량을 직접 잰 것은 아니며, 헤일로 질량을 별이나 중심 블랙홀의 질량과 혼동해서는 안 된다.

논문은 적색편이 약 7.5에서 헤일로 질량이 10의 10.1제곱 태양질량 이하이고, 적색편이 약 3.5에서는 10의 11.3제곱 태양질량이라고 보고했다. 이는 각각 약 126억 태양질량과 2,000억 태양질량에 해당한다. 제시된 질량 규모의 차이는 약 16배이며, 초기 질량이 제시된 상한보다 낮다면 차이는 더 커진다.

발표 자료는 초기 값을 100억 태양질량으로 반올림해 2,000억 태양질량까지 20배 성장했다고 설명한다. 이 차이는 반올림한 수치와 초기 시기의 상한값을 반영한다. 논문이 제시한 가장 이른 시기의 질량 규모는 적색편이 7.5로, 주요 환경 분석에 사용한 천체 98개의 적색편이 3~7 범위 밖에 있다.

더 이른 시기에 작은 붉은 점은 비교 은하보다 질량이 작은 헤일로에 자리한다. 적색편이 약 3.5가 되면 추정 질량은 일반 은하 및 광도가 낮은 활동은하핵의 질량에 가까워진다. 밀도 측정과 헤일로 추정치가 일치한다는 점은 진화에 따른 설명을 더 설득력 있게 만들지만, 개별 천체의 역사를 입증하는 것은 아니다.

제안된 전환 과정의 시간표

이 관측은 서로 다른 우주 나이에 관측된 개체군을 비교한다. 같은 은하가 10억 년 동안 성장하는 모습을 추적한 것은 아니다. 이 차이는 중요하다. 증거는 개체군의 추세를 보여 주며, 연구진은 이를 바탕으로 가능한 진화 순서를 추론한다.

• 우주 나이가 약 8억 년일 때의 초기 헤일로 질량 규모는 발표 자료에서 약 100억 태양질량으로 제시됐다.
• 적색편이 4보다 높은 구간에서 분석 대상 작은 붉은 점은 한산한 환경에 주로 자리하며, 모은하에 비해 블랙홀이 유난히 큰 것으로 보인다.
• 우주 나이가 약 18억 년일 때의 후기 헤일로 질량 규모는 발표 자료에서 약 2,000억 태양질량으로 제시됐다.
• 적색편이 3~4에서는 주변 환경이 일반 은하와 더 비슷해진다.
• 적색편이 3 아래에서는, 대체로 우주 나이가 20억 년을 넘는 시기에 해당하며, 작은 붉은 점이 훨씬 드물어진다.

이 순서는 기저의 천체가 사라지지 않아도 눈에 띄는 작은 붉은 점 단계가 끝날 수 있다는 설명을 뒷받침한다. 은하가 성장하면 작은 붉은 점을 식별하는 데 쓰는 크기와 색 기준을 더는 충족하지 않을 수 있다.

블랙홀이 정말 지나치게 큰가?

이 연구는 헤일로 성장과 또 다른 수수께끼를 연결한다. 적색편이 4보다 높은 구간에서 추정된 블랙홀은 모은하의 별에 비해 유난히 큰 것으로 보인다. 연구진은 이 관계를 살펴보기 위해 별 질량과 헤일로 질량의 관계를 경험적으로 모델링한 유니버스머신을 이용해 평균 별 질량을 추정했다.

적색편이 약 3.5에서는 블랙홀 질량, 별 질량, 헤일로 질량 간의 관계가 가까운 은하에서 측정된 값에 더 가까워지지만 차이는 남는다. 한 가지 해석은 블랙홀이 초기에 질량을 얻은 뒤 모은하가 별과 더 큰 헤일로를 키웠다는 것이다.

불확실성은 크게 두 가지다. 첫째, 물리적 본질에 논란이 있는 천체에 유니버스머신의 관계식이 정확히 들어맞지 않을 수 있다. 둘째, 블랙홀 질량은 가스의 움직임이 주로 중력을 반영한다는 가정 아래 넓은 방출선을 이용해 추정한다. 밀도 높은 이온화 가스 안에서 전자가 빛을 산란시켜 방출선을 넓힐 수도 있다.

방출선의 폭이 주로 중력에 따른 움직임을 반영하지 않는다면 블랙홀 질량은 약 1덱스, 즉 10배 과대 추정됐을 수 있다. 저자들은 이렇게 질량을 낮춰도 적색편이 4보다 높은 천체가 인근 우주의 블랙홀 질량과 헤일로 질량 간 관계보다 여전히 높은 값을 보일 것이라고 밝혔다. 따라서 겉으로 드러난 불일치는 조사할 가치가 있지만, 그 정확한 규모는 불확실하다.

붉은 점 단계가 끝나는 세 가지 가능성

연구는 몇 가지 가능한 메커니즘을 제시하지만, 그중 어느 것도 입증됐다고 결론짓지는 않는다. 저자들은 모은하 헤일로의 회전과 관련된 가설을 설명했다.

가능한 설명 중 하나는 작은 붉은 점 단계가 헤일로의 낮은 회전량처럼 특별한 헤일로 조건과 연관돼 있으며, 이런 조건이 시간이 흐를수록 덜 흔해지거나 유지하기 어려워진다는 것이다.

헤일로 회전량은 암흑물질 구조의 각운동량을 가리킨다. 작은 붉은 점이 특정한 헤일로 조건을 필요로 한다면, 이들의 수가 줄어드는 것은 은하가 발달하면서 그러한 조건을 유지하기 어려워진 결과일 수 있다.

두 번째 가능성은 겉모습의 변화다. 모은하가 별의 질량과 크기를 키우고 별 생성이 활발해지면, 이들이 내는 빛이 작은 붉은 점을 분류할 때 사용하는 색 기준을 벗어날 수 있다. 중심부 활동이 이어지더라도 개체군을 뚜렷한 유형으로 식별하기 어려워지는 것이다.

세 번째 가능성은 밀도 높은 가스의 소실이다. 이 가스가 작고 가려진 블랙홀 성장이나 별 생성을 지속시키는 데 도움을 준다면, 가스 고갈로 천체의 스펙트럼과 모습이 달라질 수 있다. 헤일로 성장과 주변 환경의 변화는 이런 가능성과 부합하지만, 어느 과정이 가장 큰 역할을 하는지는 두 측정만으로 알 수 없다.

아직 풀리지 않은 문제

드물어진 것이 완전히 사라졌다는 뜻은 아니다. 연구는 스펙트럼의 유사성, 작은 형태, 분광학적 특성을 바탕으로 식별한 적색편이 약 0.1~0.2의 인근 유사 천체 세 개를 다룬다. 이들의 주변 환경은 암흑에너지분광기기(DESI) 데이터 공개 1차 자료와 슬론 디지털 천구 탐사(SDSS) 데이터 공개 12차 자료가 포함된 은하 목록을 이용해 살폈다.

이 희귀 천체들은 환경 비교 범위를 가까운 우주까지 넓혀 준다. 그렇다고 초기 개체군이 변함없이 살아남았다는 점을 입증하는 것은 아니다. 또한 특정한 우주 나이 이후에는 작은 붉은 점이라는 유형이 완전히 존재할 수 없게 됐다고 봐서는 안 된다는 점도 시사한다.

핵심적인 관측 한계는 적색편이 3 미만의 작은 붉은 점이 너무 적어, 주요 환경 분석에서 감소 추세를 같은 수준의 세밀함으로 직접 연구하기 어렵다는 것이다. 연구진의 설명은 감소에 앞서 주변 환경과 헤일로 질량이 일반적인 은하에 가까워지는 추세, 그리고 이후 시기에 이 개체군이 드물어진다는 사실에 기반한다.

따라서 이 연구는 독특한 천체가 왜 드물어지는지에 대해 일관된 설명을 제시하지만, 내부 물리 현상을 최종적으로 밝혀낸 것은 아니다. 별 질량을 더 확실히 측정하고, 방출선이 넓어지는 원인을 더 잘 검증하며, 후기 개체군을 더 정확히 측정해야 성장, 겉모습 변화, 가스 고갈을 구분할 수 있다. 이런 불확실성이 해소될 구체적인 시점은 제시되지 않았다.

핵심 내용

• 주요 분석은 여섯 개의 심층 관측 영역에서 분광학적으로 확인된 작은 붉은 점 98개를 다룬다.
• 적색편이 4보다 높은 구간에서 이들은 일반 비교 은하보다 한산한 환경에 자리한다.
• 적색편이 3~4에서는 주변 환경이 다른 은하의 환경과 더 비슷해진다.
• 논문은 제시된 시대에 걸쳐 헤일로 질량 규모가 최대 약 126억 태양질량에서 약 2,000억 태양질량으로 증가한다고 보고한다.
• 연구 결과는 은하가 발달하면서 끝나는 일시적 단계라는 설명을 뒷받침하며, 은하가 문자 그대로 사라진다는 뜻은 아니다.
• 블랙홀 질량과 별 질량, 이 단계가 끝나는 물리적 메커니즘은 여전히 불확실하다.