03. 블랙홀 미스터리 , 초거대 블랙홀

초거대 블랙홀은 왜 은하보다 먼저 존재했는가

닭이 먼저인지 달걀이 먼저인지를 묻는 질문은 오래된 철학적 난제다. 우주에도 똑같이 답하기 어려운 질문이 있다. 은하가 먼저인지, 블랙홀이 먼저인지. 오랫동안 물리학자들은 은하가 먼저 형성되고, 그 중심에 초거대 블랙홀이 나중에 자리를 잡는다고 생각해왔다. 별들이 모여 은하를 만들고, 그 과정에서 물질이 중심으로 축적되어 거대한 블랙홀이 탄생한다는 시나리오였다.

그런데 최근 관측이 그 순서를 흔들고 있다. 우주 초기, 빅뱅 이후 불과 수억 년밖에 지나지 않은 시점에 이미 태양 질량의 수십억 배에 달하는 초거대 블랙홀이 존재했다는 증거가 속속 등장하고 있다. 은하가 충분히 형성되기도 전에 블랙홀이 먼저 거기 있었다는 것이다. 초거대 블랙홀은 왜 은하보다 먼저 존재했는가. 이 질문은 우주 형성에 대한 기존 이론 전체를 다시 검토하게 만드는 역설이다.

 

초거대 블랙홀, 은하보다 먼저

1. 제임스 웹이 보낸 불편한 증거

2022년 본격 가동을 시작한 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 천문학자들에게 예상치 못한 데이터를 안겼다. 망원경은 빅뱅 이후 약 4억 년에서 7억 년 사이의 우주를 관측했는데, 그 시기에 이미 놀랍도록 거대한 블랙홀들이 존재하고 있었다. 일부는 태양 질량의 10억 배를 넘어서는 규모였다.

문제는 시간이다. 기존 이론에 따르면 블랙홀은 별의 붕괴로 시작해 주변 물질을 흡수하며 점진적으로 성장한다. 이 과정을 거쳐 태양 질량의 수십억 배에 달하는 초거대 블랙홀이 되려면 수십억 년이 필요하다. 그런데 우주가 고작 수억 년밖에 되지 않은 시점에 그 크기의 블랙홀이 이미 존재한다. 단순 계산으로는 맞지 않는다.

제임스 웹 이전에도 퀘이사(quasar) 관측을 통해 유사한 문제가 제기됐다. 퀘이사란 초거대 블랙홀이 주변 물질을 격렬하게 흡수하면서 방출하는 강렬한 빛으로, 우주 초기에 존재했던 퀘이사들이 이미 막대한 질량의 블랙홀을 중심으로 가지고 있었음을 보여줬다. 제임스 웹은 그 관측의 범위를 더 이른 시기로 밀어붙이면서 문제를 더욱 선명하게 드러냈다.

 

초거대 블랙홀, 우주론 역설

2. 기존 이론이 설명하지 못하는 것

초거대 블랙홀의 성장 속도를 설명하기 위해 물리학자들이 제시한 메커니즘은 크게 두 가지다. 하나는 직접 붕괴(direct collapse)다. 우주 초기에 특정 조건이 갖춰지면 별의 단계를 거치지 않고 거대한 가스 덩어리가 곧바로 블랙홀로 붕괴할 수 있다는 가설이다. 이 방식으로 만들어지는 블랙홀은 초기 질량이 훨씬 크기 때문에 성장 시간 문제를 어느 정도 해결할 수 있다.

다른 하나는 초기 블랙홀들의 빠른 합병이다. 우주 초기에 다수의 블랙홀이 짧은 시간 안에 연속으로 합쳐지면서 질량이 폭발적으로 늘어났을 수 있다. 앞선 포스팅에서 다룬 블랙홀 충돌이 단순한 두 천체의 만남이 아니라, 우주 초기 구조 형성의 핵심 엔진이었을 가능성이다.

그러나 이 두 메커니즘은 현재까지 관측으로 직접 확인되지 않은 가설이다. 직접 붕괴가 일어나려면 특정한 복사 환경과 가스 밀도 조건이 동시에 갖춰져야 하는데, 그 조건이 실제 우주 초기에 얼마나 흔하게 형성됐는지 알 수 없다. 블랙홀 합병의 경우도, 수억 년이라는 제한된 시간 안에 충분한 횟수의 합병이 가능했는지 설명하는 모델이 아직 완성되지 않았다.

중요한 점은, 제임스 웹이 가져온 데이터가 기존 이론을 수정이 필요한 수준이 아니라 처음부터 다시 검토해야 할 수준으로 압박하고 있다는 것이다. 일부 연구자들은 표준 우주론 모델, 즉 람다-CDM 모델이 초기 우주의 구조 형성을 충분히 설명하지 못한다는 가능성을 진지하게 논의하기 시작했다.

 

초거대 블랙홀, 우주 초기

3. 블랙홀이 은하를 만들었을 가능성

여기서 더 나아가 일부 연구자들은 인과관계 자체를 뒤집는 가설을 제시한다. 초거대 블랙홀이 은하 형성의 결과가 아니라 은하 형성의 원인일 수 있다는 것이다.

블랙홀이 주변 물질을 흡수하는 과정에서 막대한 에너지가 방출된다. 이 에너지는 주변 가스를 가열하고 압축해 별 형성을 촉진하거나, 반대로 가스를 밀어내 별 형성을 억제한다. 초거대 블랙홀의 활동이 은하 내 별 형성의 속도와 분포를 직접 조절한다는 관측 증거는 이미 상당히 축적되어 있다. 블랙홀과 은하의 관계가 단순한 공존이 아니라 블랙홀이 능동적으로 은하의 모습을 빚어왔을 수 있다는 의미다.

초거대 블랙홀의 질량과 그것이 속한 은하의 중심부 질량 사이에는 놀랍도록 안정적인 비율 관계가 존재한다. 이것을 M-시그마 관계(M-sigma relation)라고 한다. 서로 다른 크기와 유형의 은하에서 이 비율이 일관되게 유지된다는 사실은, 블랙홀과 은하가 서로 독립적으로 진화한 것이 아니라 처음부터 함께 성장했거나 하나가 다른 하나에 영향을 미쳤다는 것을 강하게 시사한다.

 

초거대 블랙홀, 은하보다 먼저

마무리

초거대 블랙홀이 은하보다 먼저 존재했다는 증거는, 우주가 우리가 생각했던 것보다 훨씬 복잡한 방식으로 시작됐음을 보여준다. 우주의 역사를 설명하는 표준 모델은 지금 이 순간에도 새로운 관측 데이터 앞에서 조금씩 수정되고 있다.

제임스 웹 우주망원경은 이제 막 본격적인 관측을 시작한 단계다. 앞으로 더 이른 시기의 우주를 들여다볼수록, 기존 이론이 설명하지 못하는 구조들이 더 많이 발견될 가능성이 있다. 초거대 블랙홀의 기원이 완전히 밝혀지는 날, 우주 형성 이론은 부분적인 수정이 아니라 근본적인 재구성을 맞이할지도 모른다.

은하가 먼저인지, 블랙홀이 먼저인지. 우주는 아직 그 답을 쉽게 내주지 않고 있다.