JWST, '작은 빨간 점'들의 정체가 블랙홀 항성일 가능성 발견

배치 이후, James Webb Space Telescope (JWST)은 구어체로 "Little Red Dots" (LRDs, 작은 빨간 점)라고 불리는 신비롭고 조밀하며 극도로 붉은 천체들의 이미지를 포착함으로써 초기 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시켰습니다. 수년 동안 천문학자들은 이 고적색편이 광원들($z \sim 2$에서 $z \sim 9$ 사이에서 발견됨)이 아주 작은 초고밀도 은하인지, 아니면 가려진 활동성 은하핵(AGN)인지에 대해 논쟁을 벌여왔습니다. Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan, Sandro Tacchella를 포함한 연구진이 이끄는 획기적인 새로운 연구는 세 번째의 더 이색적인 가능성을 제시합니다. 바로 이 천체들이 성장하는 black hole이 거대하고 밀도 높은 가스 외층에 싸여 모은하보다 훨씬 밝게 빛나는 일시적 단계인 black hole stars(BH*s, 블랙홀 별)라는 것입니다.

JWST는 초기 우주에서 무엇을 발견했는가?

James Webb Space Telescope (JWST)은 정지계 광학 파장에서 현저하게 붉게 보이는 "Little Red Dots"로 알려진 고적색편이 조밀 천체 무리를 발견했습니다. 빅뱅 이후 불과 수억 년 전으로 거슬러 올라가는 이 광원들은 기존의 은하 형성 및 black hole 성장 모델에 도전하는 극단적인 광도와 조밀한 구조를 보여줍니다.

이 천체들의 발견은 분광학적 시그니처가 알려진 천체들과 명확하게 일치하지 않았기 때문에 예상치 못한 일이었습니다. 초기 논쟁은 그 붉은색이 quiescent galaxy(비활동 은하) 내의 오래된 항성 집단에 의한 것인지, 아니면 중앙 black hole 주변의 짙은 먼지 가림에 의한 것인지에 집중되었습니다. 연구팀은 98개의 LRD 샘플에서 얻은 고품질 NIRSpec/PRISM 스펙트럼을 활용하여 이러한 "Little Red Dots"를 더 깊이 조사하고, 이들의 강렬한 에너지 방출을 주도하는 특정 메커니즘을 확인하고자 했습니다.

이 천체들의 본질을 규명하기 위해 연구진은 중앙 엔진을 주변의 host galaxy(모은하)로부터 분리하는 새로운 기법을 개발했습니다. 연구진은 [OIII] 5008Å 방출선이 조밀한 핵이 아니라 모은하의 성간 물질에서만 발생한다는 가정하에 작업을 진행했습니다. 이 방출선을 근거로 모은하의 기여분을 제외함으로써, 연구팀은 LRD "심장부"의 근본적인 분광 에너지 분포(SED)를 밝혀냈으며, 이는 black hole stars에 대한 인구 수준의 첫 번째 증거를 제공했습니다.

작은 빨간 점은 실제로 블랙홀 별인가?

증거에 따르면 많은 작은 빨간 점은 실제로 두껍고 불투명한 가스 외층에 둘러싸인 중앙 특이점인 블랙홀 별에 의해 에너지를 공급받고 있습니다. 모은하의 빛을 제외한 후, 연구진은 남은 핵이 약 4,050 K의 온도를 가진 blackbody-like SED(흑체와 유사한 SED)와 닮았음을 발견했는데, 이는 전통적인 은하보다는 가스 외층과 훨씬 더 일치하는 결과입니다.

종종 quasistar(퀘이사성)라고도 불리는 "black hole star" 모델은 black hole이 거대한 정역학적 외층 내에서 가속된 속도로 성장하는 독특한 물질 상태를 설명합니다. 연구에 따르면 이 LRD들의 모은하를 제외한 중앙값 스택은 거대 비활동 은하에서 발견되는 것보다 두 배 이상 강한 Balmer break(발머 단절)를 보여줍니다. 이 특정 특징은 오래된 별의 빛이 아니라 밀도 높은 가스 외층의 "결정적인 시그니처"이며, 이는 black hole이 관측된 빛의 주된 동력임을 나타냅니다.

Brammer, Natarajan, Tacchella의 연구 결과에 따르면, 이 black hole stars는 복사 광도가 $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43.9$ erg s$^{-1}$이고 유효 반경이 약 1,300 au에 달할 정도로 믿을 수 없을 만큼 밝습니다. 연구에 따르면 전형적인 LRD에서 black hole star는 다음을 차지합니다.

• 자외선(UV) 방출의 약 20%.
• Balmer break에서의 빛의 약 50%.
• H$\alpha$보다 긴 파장에서의 빛의 거의 90%.

블랙홀은 어떻게 가스 외층 안에서 성장하는가?

블랙홀은 주변 가스가 발생하는 방사선을 가두는 동안 표준 에딩턴 한계를 초과하는 속도로 질량을 강착함으로써 가스 외층 내부에서 성장합니다. 이는 중력의 안쪽으로 당기는 힘과 black hole 에너지의 바깥쪽으로 미는 압력이 균형을 이루는 조밀하고 압력이 높은 고치를 형성하여, 안정적이지만 일시적인 "별과 같은" 구조를 만들어냅니다.

분광 데이터는 가파른 Balmer decrement(발머 감소비, $H\alpha/H\beta > 10$) 관측을 통해 이러한 "가려진" 성장 모델을 뒷받침합니다. 이렇게 높은 비율은 먼지와 가스가 내부에서 탈출하는 빛을 상당히 붉게 만드는, 매우 가려지고 밀도가 높은 환경임을 시사합니다. 또한, 연구팀은 FeII, HeI, OI의 방출선을 포함하여 밀도에 민감한 특징들을 다수 탐지했는데, 이는 표준 은하에서는 거의 볼 수 없지만 강력한 에너지원을 둘러싼 고밀도 가스 구름의 특징입니다.

연구진은 이러한 black hole stars들이 최근 강렬한 폭발적 항성 생성을 겪은 저질량 은하($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$)에 주로 존재한다고 가정합니다. [OIII] 5008Å(1100Å) 및 CIII](12Å)와 같은 극단적인 방출선 등가폭의 존재는 급격한 항성 형성과 이러한 거대 black hole 씨앗의 탄생 사이에 강력한 연관성이 있음을 시사합니다. 이러한 환경은 black hole의 초기 팽창 동안 외층을 유지하는 데 필요한 가스 저장고를 제공합니다.

초기 초대질량 블랙홀 성장에 미치는 영향

black hole star 단계의 발견은 우주 최초의 초대질량 black holes들이 어떻게 그렇게 빨리 형성되었는지에 대해 심오한 시사점을 줍니다. 표준 강착 모델은 종종 black holes들이 우주 역사상 첫 10억 년 이내에 어떻게 태양 질량의 수십억 배에 도달했는지 설명하는 데 어려움을 겪습니다. 그러나 black hole star 메커니즘은 천체가 가려진 상태에서 급격한 "초에딩턴(super-Eddington)" 성장을 가능하게 하여, 외층이 결국 흩어질 때까지 시야에서 효과적으로 숨겨지도록 합니다.

연구진은 이 천체들이 약 1%의 비교적 짧은 duty cycle(가동 주기)을 가지고 있으며, 이는 수명이 약 1,000만 년임을 의미한다고 추정합니다. 이러한 일시성에도 불구하고, 데이터는 black hole stars가 초기 우주에서 매우 흔했기 때문에 오늘날 볼 수 있는 거의 모든 거대 black hole이 한때 이 "Little Red Dot" 단계를 거쳤을 수 있음을 시사합니다. 이는 LRD가 진화의 막다른 길이 아니라, black holes를 위한 보편적인 "급성장기"임을 시사합니다.

앞으로 James Webb Space Telescope을 통한 미래의 관측은 연구진이 black hole star 이후 밀도 높은 가스 외층이 걷히기 시작할 때 나타나는 단계라고 믿는 "blue broad-line AGN"에 초점을 맞출 것으로 보입니다. 가스에 가려진 "점"에서 빛나고 가려지지 않은 퀘이사로의 전이를 연구함으로써, 천문학자들은 우주의 새벽부터 현재까지 우주에서 가장 거대한 거주자들의 전체 수명 주기를 파악할 수 있기를 희망하고 있습니다.