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- 초기 우주의 조밀한 성단에서 빈번한 별의 충돌이 거대 별과 초대질량 블랙홀의 '씨앗'을 만들어냈을 가능성 제기돼
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젊은 우주에서는 별들의 충돌이 오늘날보다 훨씬 잦았다: 연쇄적 합병으로 거대 별과 블랙홀 탄생했을 수도

천문학자들의 새로운 모델링 연구 결과, 초기 우주의 조밀한 성단에서 빈번한 별의 충돌이 거대 별과 초대질량 블랙홀의 '씨앗'을 만들어냈을 가능성이 제기되었다. 이는 제임스 웹 우주망원경이 포착한 수수께끼의 ‘리틀 레드닷(Little Red Dots)’ 현상을 설명하는 단서가 될 수도 있다. 

▲ NASA 허블 우주 망원경이 촬영한 이 이미지에는 나선 은하 UGC 11397이 담겨 있다. 사진출처:ESA/Hubble & NASA, M. J. Koss, A. J. Barth

초기 우주에 이미 거대한 질량을 가진 초대질량 블랙홀이 존재했다는 사실은 오랜 기간 천문학자들에게 큰 수수께끼였다. 이들이 점진적으로 성장하기에는 주어진 시간이 턱없이 부족했기 때문이다. 그동안 학계에서는 초기 블랙홀의 전구체(Vorläufer)가 어떻게 형성되었는지, 그 성장의 지름길이 무엇인지에 대한 해답을 찾아왔다.

'별들의 합병'으로 탄생한 태양 질량 수십만 배의 거대 별

미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교(UCLA)의 클레어 E. 윌리엄스(Claire E. Williams) 연구팀은 우주 초기 고밀도 성단에서 어떤 일이 벌어졌을지 분석하기 위해 새로운 분석 모델을 개발했다. 이 모델은 고해상도 우주론적 시뮬레이션과 초기 별 시스템에 대한 관측 데이터를 바탕으로 구축되었으며, 개별 별의 궤도를 통계적으로 추적하는 몬테카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo-Simulation)을 통해 검증되었다.

연구 결과, 우주가 수백만 년에서 수십억 년밖에 되지 않았던 초기 시기에 매우 조밀한 성단 내에서 별들이 서로 충돌해 형태와 진화 과정이 완전히 바뀌는 일이 빈번했던 것으로 나타났다.

연쇄적인 합병: 이미 거대한 블랙홀이 존재하지 않는 환경에서는 충돌이 주로 '합병'으로 이어져.

덩치가 커진 별들은 중력 상호작용에 의해 성단의 중심부로 가라앉게 되며, 그곳에서 추가로 충돌할 확률이 더욱 높아진다. 극단적인 모델 사례에서는 태양 질량의 10만 배를 넘는 단일 거대 별이 탄생할 수 있음이 확인되었다.

연구를 이끈 클레어 E. 윌리엄스는 "시뮬레이션에서 가장 놀라운 점은 성단 내부의 별들이 연쇄적으로 거듭 합병하여 마침내 성단 전체의 질량과 맞먹는 단 하나의 거대 별을 만들어낼 수 있다는 것"이라며, "이렇게 거대한 별이 생애 주기를 마칠 때 결국 스스로 붕괴하여 질량이 큰 블랙홀을 형성하는 것 외에는 다른 길이 없을 것"이라고 설명했다. 

▲ 밝은 중심부, 푸른 나선팔, 그리고 어두운 먼지 띠를 가진 빛나는 나선 은하. 특히 밀집된 성단에서는 초기 우주에서 빈번하게 발생했던 별들의 충돌이 매우 무거운 별들의 형성에 기여했을 가능성이 있다. © ESA/Hubble & NASA, M. J. Koss, A. J. Barth

이미 존재하는 블랙홀은 충돌 방식을 바꾼다

반면, 성단 중심부에 이미 거대 블랙홀이 자리를 잡고 있는 경우 상황은 달라진다. 블랙홀의 강한 중력이 주변 별들의 속도를 극도로 높여놓기 때문에, 충돌은 합병이 아닌 '파괴'로 이어지게 된다.

이때 부서진 별의 물질은 블랙홀 주변에 거대한 가스층을 형성한다. 이 가스층은 블랙홀이 추가로 성장할 수 있는 풍부한 먹이가 되는 동시에, 멀리 떨어진 거리에서 이 시스템이 어떻게 관측될지에 큰 영향을 미칠 수 있다.

제임스 웹이 포착한 ‘리틀 레드닷(Little Red Dots)’의 비밀 풀까?

이번 연구 결과는 최근 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 초기 우주에서 발견한 작고 붉은 빛을 띤 고밀도 천체인 '리틀 레드 닷(Little Red Dots)'의 정체를 규명하는 데도 실마리를 제공한다.

모델에 따르면 밀집된 성단 속에서 합병을 통해 1만~10만 배의 태양 질량을 가진 별이 생성될 수 있으며, 이미 블랙홀이 존재하는 곳에서는 파괴적인 충돌로 인해 블랙홀 주변에 밀도가 극도로 높은 가스 환경이 조성될 수 있습니다. 이는 레드닷의 특징과 일치하는 부분이 많다.

다만 연구팀은 이번 연구가 단순화된 물리적 가정에 기반한 시뮬레이션 모델이며, 가스의 전반적인 거동이나 충돌에 따른 별 질량의 실시간 변화 등은 아직 완벽히 반영되지 않았다고 덧붙였다.

해당 연구 결과는 현재 사전 공개 논문 플랫폼인 arXiv에 등록되었으며, 향후 추가적인 시뮬레이션과 관측을 통해 초기 우주에서 이 메커니즘이 얼마나 보편적이었는지 검증될 예정이다.

참고 원문 출처:
연구 프리프린트: arXiv (DOI: 10.48550/arXiv.2603.26872)
연구 기관 보도자료: University of California, Los Angeles (UCLA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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