우주 탄생 초기, 블랙홀별 있었다?

우주 탄생 초기에는 블랙홀별(Black Hole Star)이라고 불리는 초거대 천체가 존재했다고 한다. 별 중심에 블랙홀이 존재하는 블랙홀별은 우주가 형성된 초기 짧은 기간에만 존재가 가능했던 천체로 여겨진다. 블랙홀별 직경은 태양 80만 배 이상으로 알려진 최대 항성인 스티븐슨 2-18에 비해 380배 크기로 지금까지 존재했던 천체로는 가장 큰 별이었다고 할 수 있다.

보통 새로운 항성은 수소가스가 모인 거대한 구름 중에서 가장 밀도가 높은 장소에 물질이 모여 큰 열과 압력이 발생해 핵융합 반응이 발생하는 것으로 탄생한다. 이런 별은 핵융합에 의한 방사선 방출과 이를 밀어내는 중력 사이에서 성장하게 된다. 무거운 항성은 수명이 되어 핵융합 반응이 정지하면 중력 붕괴를 일으킨다.

한편 블랙홀별이 존재하고 있던 빅뱅 수억 년 뒤 우주는 지금보다 좁고 고밀도이며 고온이었다고 여겨지고 있다. 초기 우주에선 암흑물질(dark matter)이 모인 암흑물질 헤일로(Dark matter halo)라고 불리는 거대한 구조가 형성되어 대량 수소가스를 도입해 최초의 별이나 은하를 낳았다고 한다.

암흑물질 헤일로의 강력한 중력에 의해 형성된 별은 반복해 수소가스를 쌓아 믿을 수 없는 크기까지 성장했다고 한다. 질량과 압력이 너무 큰 별은 균형을 유지할 수 업으며 초신성 폭발이 발생해도 별은 파괴되지 않는다. 이 때문에 이 별 중심에는 핵이 되는 블랙홀이 존재하고 이렇게 블랙홀별이 탄생한다.

보통 블랙홀에 흡수되는 물질은 블랙홀 주위를 돈다. 주회 물질은 입자간 마찰에 의해 온도가 올라가 방사선을 내는 것으로 주위 다른 물질을 날려버린다. 그 결과 블랙홀은 느린 성장을 이루게 된다.

한편 블랙홀별에선 블랙홀 주위 거대한 압력에 의해 물질이 직접 블랙홀에 밀려들어간다. 이 치열한 과정은 더 많은 에너지가 방출되고 어떤 별 중심부보다 고온이 된다. 이 때문에 격렬한 방사압이 방출되어 블랙홀별은 점점 팽창해간다. 태양계 30배 이상 크기가 된 블랙홀별은 블랙홀 극에서 플라즈마 제트를 뿜어내고 별을 찢어 우주로 튀어나온다.

하지만 너무 활발해진 블랙홀은 블랙홀별 본체를 날려 버린다. 우주 최대 수수께끼 중 하나인 은하 중심에 존재하는 초대 질량 블랙홀은 현대 천문학에선 설명할 수 없기 때문에 블랙홀별 존재가 인정되며 설명할 수 있을지 모른다고 여겨지고 있다.

보통 블랙홀은 수십억 년에 걸쳐 천천히 성장하는 반면 일부 초대 질량 블랙혹은 빅뱅에서 불과 6억 9,000만 년 뒤 탄생했다고 여겨지며 블랙홀별에 의한 블랙홀은 초대 질량 블랙홀 기초가 됐을 가능성이 있다고 한다.

제임스웹우주망원경은 기존에는 관측이 불가능했던 초기 우주 관측이 가능하다고 여겨지는 만큰 블랙홀별 존재를 관측할 수 있을 가능성이 시사되고 있다.