블랙홀 바로 옆에서도 물과 먼지가 만들어졌다…제임스웹이 본 은하 중심의 뜻밖의 화학공장
우리 은하 중심에는 태양 질량의 약 400만배에 이르는 초대질량 블랙홀 ‘궁수자리 A*(Sagittarius A*)’가 자리 잡고 있다. 강한 복사와 높은 별 밀도, 격렬한 항성풍이 뒤섞이는 이곳은 별과 분자가 오랫동안 안정적으로 존재하기 어려운 극한 환경으로 여겨져 왔다. 그런데 제임스웹우주망원경이 블랙홀에서 불과 0.55광년 떨어진 곳에서 예상과 다른 장면을 포착했다.
유럽우주국(ESA)은 8월 11일 제임스웹 관측을 이용한 국제 연구팀이 우리 은하 중심의 노년별 ‘IRS 3’ 주변에서 새롭게 만들어진 우주먼지와 물의 존재를 확인했다고 발표했다. IRS 3는 궁수자리 A*에서 투영거리 약 0.17파섹, 빛으로 약 0.55년 거리밖에 떨어져 있지 않은 별이다. 연구진은 제임스웹의 중적외선 관측장비 MIRI를 이용해 이 별을 감싸고 있는 거대한 먼지층을 분석했고, 산소가 풍부한 규산염 먼지와 함께 물의 분광학적 신호를 처음으로 확인했다.
흥미로운 것은 물이 발견됐다는 사실 자체보다 어디에서 발견됐느냐다. 은하 중심은 강한 자외선과 고에너지 복사가 분자를 파괴할 수 있고, 블랙홀 주변에 밀집한 별들의 바람과 충격파도 먼지와 가스에 끊임없이 영향을 준다. 그럼에도 IRS 3는 여전히 새로운 먼지를 만들어 주변 우주로 내보내고 있었고, 물 분자 역시 그 외피 안에서 살아남고 있었다.
이번 결과는 우리 은하 중심을 블랙홀이 모든 것을 파괴하는 공간으로만 보는 시각에 수정이 필요하다는 점을 보여준다. 별이 죽어가면서 내놓은 물질이 먼지와 분자로 바뀌고, 언젠가 다시 새로운 별과 행성을 만드는 재료가 되는 우주의 물질 순환이 초대질량 블랙홀 바로 근처에서도 계속되고 있을 가능성이 확인됐기 때문이다.
물은 블랙홀에서 나온 것이 아니다
‘블랙홀 근처에서 물을 발견했다’는 설명은 자칫 블랙홀이 물을 만들어냈거나 블랙홀 주변에 바다와 비슷한 환경이 존재한다는 인상을 줄 수 있다. 이번 연구가 확인한 내용은 전혀 다르다.
물이 발견된 곳은 궁수자리 A* 자체가 아니라 그 주변을 돌고 있는 노년별 IRS 3의 외피다.
IRS 3는 별의 생애 말기에 해당하는 점근거성가지(AGB) 단계에 들어선 별이다. 태양과 비슷하거나 그보다 몇 배 무거운 별이 중심부의 핵연료를 거의 소진하면 크게 팽창해 차갑고 밝은 거성이 되고, 강한 항성풍을 통해 자신의 물질을 우주 공간으로 대량 방출하기 시작한다.
이 과정은 우주먼지가 만들어지는 대표적인 경로 가운데 하나다.
별에서 빠져나온 가스가 바깥쪽으로 이동하면서 온도가 낮아지면 규소와 산소, 탄소 등 여러 원소가 결합해 작은 고체입자를 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 먼지는 다시 성간공간으로 퍼지고, 훗날 분자구름과 원시행성계 원반에 들어가 새로운 별과 행성의 재료가 된다.
ESA에 따르면 IRS 3의 질량은 태양의 약 6배로 추정되며 나이는 약 7200만년이다. 현재 상당히 강한 질량 손실을 겪고 있고, 별이 방출한 물질은 주변에 거대한 먼지 외피를 형성하고 있다.
이번에 발견된 물과 먼지는 바로 이 별의 마지막 생애에서 만들어지고 있는 물질이다.
블랙홀과 0.55광년…우주 기준으로는 사실상 바로 옆
0.55광년은 인간의 기준에서는 상상하기 어려울 만큼 먼 거리다. 빛이 약 6개월 동안 이동해야 도달할 수 있고, 태양과 지구 사이 거리의 수만 배에 달한다.
그러나 초대질량 블랙홀이 있는 은하 중심의 규모에서 보면 상당히 가까운 거리다.
IRS 3는 우리 은하 중심 1파섹 이내에 존재하는 대표적인 진화된 별 가운데 하나이며, 중적외선 영역에서는 매우 밝은 천체로 알려져 있다. 연구진은 이번 논문에서 IRS 3를 은하 중심부 내부 1파섹에 존재하는 가장 두드러진 AGB별 가운데 하나로 설명했다.
궁수자리 A* 주변에는 수많은 별이 조밀하게 모여 있고 강한 복사장과 항성풍, 충격파가 존재한다. 이런 환경에서는 새롭게 만들어진 작은 먼지입자가 파괴되거나 물 같은 분자가 고에너지 복사에 의해 분해될 가능성이 높다.
그래서 연구자들이 궁금했던 것은 IRS 3 같은 노년별이 이런 곳에서도 정상적인 먼지 생산을 계속할 수 있느냐였다.
이번 관측의 답은 적어도 IRS 3에서는 ‘그렇다’는 쪽에 가깝다.
제임스웹이 별 주변 1만AU의 먼지층을 해부했다
이번 발견을 가능하게 한 핵심 장비는 제임스웹의 중적외선 관측장비 MIRI다.
먼지에 둘러싸인 별은 가시광선으로 관측하기 어렵지만 먼지는 열을 받아 적외선을 방출한다. 특히 중적외선 영역에서는 먼지를 구성하는 광물과 분자가 특정 파장에서 독특한 흡수·방출 신호를 남기기 때문에 어떤 물질이 존재하는지를 확인할 수 있다.
연구팀은 2025년 MICONIC 프로그램의 일환으로 제임스웹 MIRI의 중해상도 분광기(MRS)를 이용해 우리 은하 중심부를 관측했다. 이를 통해 IRS 3에 대해 처음으로 끊기지 않은 중적외선 스펙트럼을 확보했다.
분석 결과 별 주변에서는 규산염 먼지에 해당하는 뚜렷한 적외선 신호 두 개가 확인됐다.
이것은 IRS 3의 정체를 둘러싼 기존 논쟁에도 답을 줬다. 이전 연구에서는 이 별이 탄소가 풍부한 별일 가능성도 제기됐지만, 제임스웹 관측은 산소가 풍부한 AGB별이라는 쪽을 강하게 지지했다.
더 나아가 연구팀은 관측된 빛이 서로 다른 먼지 외피 모델을 통과할 때 어떻게 변하는지를 계산해 별 주변 구조까지 재구성했다.
그 결과 먼지는 별에서 약 1만AU까지 이어지는 여러 겹의 껍질 형태로 분포하는 것으로 분석됐다. 1AU는 지구와 태양 사이의 평균거리이므로, 이 먼지 외피의 반경은 태양계 행성 궤도를 훨씬 넘어서는 거대한 규모다.
별 가까이는 900도, 바깥쪽은 영하 170도 수준
먼지 외피의 온도도 한 가지가 아니었다.
ESA에 따르면 IRS 3 가까이에 있는 먼지는 약 1200K, 섭씨로 약 927도 수준까지 뜨겁지만 바깥쪽으로 갈수록 온도가 약 100K, 섭씨 영하 173도 정도까지 낮아지는 것으로 모델링됐다.
이 온도 차이는 먼지가 만들어지고 분자가 살아남을 수 있는 환경을 이해하는 데 중요하다.
별 바로 가까이에서는 온도가 너무 높아 일부 고체물질과 분자가 안정적으로 존재하기 어렵지만, 항성풍을 타고 물질이 외부로 이동하면 점차 식으면서 먼지가 응축될 수 있다.
더 멀리에서는 분자가 비교적 안정적으로 존재할 조건이 만들어진다.
즉 IRS 3 주변에는 뜨거운 별 표면에서 시작해 차가운 성간공간으로 이어지는 일종의 화학적 생산라인이 형성돼 있는 셈이다.
물이 발견됐다는 것이 특별한 이유
우주에서 물 자체가 희귀한 물질은 아니다.
분자구름과 혜성, 행성 대기, 별이 만들어지는 원시행성계 원반에서도 물 또는 얼음이 발견돼 왔다. 제임스웹 역시 여러 외계행성과 원시행성계에서 물의 분광 신호를 확인한 바 있다.
이번 결과가 특별한 이유는 환경이다.
연구팀은 IRS 3의 외피에서 물에 해당하는 분광 신호를 확인했는데, 이 별에서 물이 명확하게 검출된 것은 처음이라고 ESA는 설명했다.
강한 복사가 존재하는 은하 중심에서는 물 분자가 광분해될 가능성이 있다. 에너지가 높은 빛이 물 분자에 흡수되면 수소와 산소를 포함한 더 작은 조각으로 분해될 수 있기 때문이다.
그럼에도 IRS 3 주변의 밀도 높은 먼지와 가스층 내부에서는 물이 형성되거나 일정 기간 살아남을 수 있다는 사실이 이번 관측에서 확인됐다.
먼지가 일종의 보호막 역할을 했을 가능성도 생각해볼 수 있다. 두꺼운 먼지층이 외부의 강한 복사를 일부 차단하면 내부의 분자가 더 오래 생존할 수 있기 때문이다.
다만 이번 연구만으로 물이 정확히 어느 화학반응을 통해 만들어졌고 어느 정도 시간 동안 유지되는지까지 모두 밝혀진 것은 아니다.
‘물이 있으니 생명체가 있다’는 해석은 완전히 다른 이야기
우주에서 물이 발견됐다는 뉴스에는 거의 항상 생명체 가능성이 따라붙는다.
하지만 이번 연구에서는 그렇게 연결할 근거가 없다.
IRS 3는 생명체가 살 수 있는 행성도 아니고, 생명 가능성을 조사하는 대상도 아니다. 생애 말기의 거대한 별 주변에 형성된 가스와 먼지 외피를 관측한 것이다.
온도와 방사선 환경도 지구와 전혀 다르다.
이번 물 발견의 과학적 의미는 생명체보다 우주 화학에 있다.
별에서 만들어진 산소와 규소 같은 원소가 우주로 배출되고 먼지가 형성되며, 그 주변에서 물 같은 분자가 존재할 수 있다는 사실은 은하 내부에서 행성과 별의 재료가 어떻게 순환하는지를 이해하는 데 중요하다.
지구의 물이나 암석을 이루는 원소도 궁극적으로는 이전 세대의 별에서 만들어졌다.
따라서 IRS 3에서 관측된 과정은 아주 먼 미래에 다른 별과 행성계를 만드는 재료가 만들어지는 과정의 한 장면으로 볼 수 있다.
죽어가는 별이 다음 세대 행성의 재료를 만든다
별은 태어나고 죽는 것으로 끝나지 않는다.
별 내부에서는 핵융합을 통해 다양한 원소가 만들어지고, 별의 생애 말기에 이 물질 상당 부분이 다시 우주로 방출된다.
특히 AGB별은 은하의 우주먼지 공급에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
강한 항성풍을 통해 별 표면에서 물질이 빠져나가고, 온도가 내려가면서 미세한 먼지입자가 만들어진다. 이후 이 먼지가 성간공간을 돌아다니다가 차가운 분자구름에 섞이고, 중력으로 다시 뭉치면 새로운 별과 행성계를 만드는 원료가 된다.
이 과정에서 먼지는 중요한 역할을 한다.
먼지 표면에서는 여러 화학반응이 일어날 수 있고, 분자가 형성되거나 보호될 수 있다. 원시행성계에서는 먼지입자가 서로 충돌하고 결합하면서 더 큰 입자와 소행성, 행성의 씨앗으로 성장한다.
따라서 은하가 얼마나 많은 먼지를 만들고 유지할 수 있는지는 별과 행성이 계속 만들어질 수 있는지와도 연결된다.
은하 중심에서도 이 ‘재활용 시스템’이 작동하고 있었다
지금까지 어려웠던 질문은 은하 중심처럼 극단적인 환경에서도 이런 물질 순환이 정상적으로 작동하느냐였다.
강한 복사와 별들의 바람이 먼지를 빠르게 파괴한다면 AGB별이 물질을 방출해도 오래 살아남지 못할 수 있다.
그렇다면 은하 중심부의 우주먼지는 어디에서 공급되고 얼마나 오래 유지되는지를 별도로 설명해야 한다.
이번 IRS 3 관측은 적어도 노년별이 이런 환경에서도 먼지를 계속 생산할 수 있고, 그 외피 안에서 물 같은 분자도 존재할 수 있음을 보여줬다.
주저자인 독일 쾰른대 플로리안 파이스커 연구원도 ESA 발표에서 은하 중심은 가장 극단적인 환경 가운데 하나인 만큼 별이 그곳에서도 주변 환경을 계속 풍부하게 만들 수 있는지가 중요한 질문이었다고 설명했다. 제임스웹 관측 결과 먼지 생산이 예상보다 강한 회복력을 보였다는 것이다.
이 발견은 은하 중심의 화학적 진화 모델에도 영향을 줄 수 있다.
궁수자리 A*가 먼지를 직접 빨아들이는 장면을 본 것은 아니다
블랙홀 가까이 있는 별이라는 이유로 IRS 3가 곧바로 블랙홀에 빨려 들어갈 것이라고 생각하기도 쉽다.
그러나 0.55광년은 블랙홀의 사건지평선과 비교하면 여전히 매우 먼 거리다.
궁수자리 A*의 사건지평선 크기는 천문학적으로 보면 극히 작으며, IRS 3는 블랙홀 바로 옆을 지나가는 가스 구름이 아니라 독립적으로 궤도를 돌고 있는 별이다.
이번 연구의 초점도 블랙홀이 별을 삼키는 과정이 아니다.
블랙홀과 주변 별들이 만들어내는 극한 방사선 환경에서 별의 먼지 생산이 유지되는지를 본 것이다.
따라서 ‘블랙홀 옆에서 물이 살아남았다’는 표현에서 중요한 것은 블랙홀의 중력이 물을 붙잡고 있다는 의미가 아니라, 은하 중심이라는 극단적인 환경에서도 복잡한 분자와 먼지가 생각보다 잘 유지될 수 있다는 점이다.
제임스웹이 아니었다면 왜 보기 어려웠나
IRS 3는 새로운 천체가 아니다.
은하 중심에서 중적외선으로 매우 밝은 천체라는 사실은 오래전부터 알려져 있었다. 하지만 그 안에 어떤 종류의 먼지가 있고 어떤 분자가 존재하는지를 정확히 밝히는 데는 한계가 있었다.
우리 은하 중심은 지구에서 볼 때 두꺼운 성간먼지 뒤에 가려져 있다.
가시광선은 상당 부분 흡수되지만 적외선은 먼지를 상대적으로 잘 통과할 수 있어 은하 중심을 연구하는 데 유리하다.
제임스웹은 특히 중적외선에서 높은 감도와 분광 능력을 제공한다.
MIRI를 이용하면 단순히 별이 밝다는 사실을 확인하는 것을 넘어 빛을 파장별로 세밀하게 분해해 어떤 분자와 광물이 존재하는지 확인할 수 있다.
이번 연구에서도 연속적인 중적외선 스펙트럼을 처음 확보하면서 IRS 3가 산소가 풍부한 별이라는 사실과 규산염 먼지, 물 신호를 한꺼번에 구분할 수 있었다.
제임스웹의 강점이 먼 우주의 초기 은하만 보는 데 있지 않다는 것을 보여주는 사례이기도 하다.
우리 은하를 보면 먼 은하의 중심도 이해할 수 있다
이번 연구는 궁극적으로 다른 은하를 이해하는 데도 중요하다.
대부분의 대형 은하 중심에는 초대질량 블랙홀이 존재한다. 일부 은하에서는 블랙홀이 막대한 물질을 빨아들이며 강력한 복사를 방출하는 활동은하핵을 형성하기도 한다.
하지만 다른 은하의 중심부는 너무 멀어 개별 별과 먼지 구조를 세밀하게 구분하기 어렵다.
우리 은하 중심은 상대적으로 가까워 개별 별 수준까지 관측할 수 있는 일종의 천연 실험실이다.
IRS 3 같은 별이 궁수자리 A* 주변에서 어떻게 먼지를 만들고 물질을 방출하는지 이해하면, 훨씬 먼 은하의 중심에서 관측되는 적외선과 먼지 성분을 해석하는 데 기준점을 제공할 수 있다.
이번 관측 자체가 ‘Mid-Infrared Characterisation of Nearby Iconic galaxy Centres’, 즉 가까운 대표 은하 중심의 중적외선 특성을 조사하는 MICONIC 프로그램의 일부로 진행된 것도 이런 이유다.
남은 질문은 ‘얼마나 오래 살아남느냐’다
이번 연구는 은하 중심에서도 먼지와 물이 만들어지고 존재할 수 있다는 사실을 보여줬지만, 물질 순환 전체를 설명한 것은 아니다.
IRS 3에서 만들어진 먼지가 별에서 멀리 떨어진 뒤에도 살아남는지, 강한 복사와 충격파에 의해 얼마나 빠르게 파괴되는지, 실제로 성간물질과 섞여 다음 세대 별의 재료가 되는 비율이 어느 정도인지는 추가 관측이 필요하다.
물이 어디에서 만들어졌는지도 세밀하게 밝혀야 한다.
별의 외피 내부 화학반응에서 직접 형성됐는지, 먼지 표면 반응이 어느 정도 기여했는지, 먼지가 외부 방사선을 막아 생존을 도왔는지도 앞으로 풀어야 할 문제다.
연구팀이 IRS 3의 먼지 외피를 여러 층으로 모델링한 것은 이런 과정을 추적하기 위한 출발점이다.
블랙홀의 도시 한복판에서도 우주는 계속 재료를 만든다
우리 은하 중심을 떠올리면 가장 먼저 초대질량 블랙홀이 등장한다.
궁수자리 A*와 그 주변에서 빠른 속도로 움직이는 별, 강한 중력과 고에너지 복사는 은하 중심을 우주에서 가장 거친 공간 가운데 하나로 만든다.
하지만 제임스웹이 이번에 보여준 것은 그 혼란 속에서도 또 다른 과정이 동시에 진행되고 있다는 사실이다.
약 7200만년 된 별은 마지막 생애를 보내면서 자신의 물질을 우주로 내보내고 있고, 그 물질은 규산염 먼지로 응축되고 있다. 거대한 먼지 외피에서는 물도 살아남고 있다.
그 먼지와 분자가 앞으로 정확히 어디로 이동할지는 알 수 없다.
일부는 파괴되고 일부는 은하 중심의 가스와 섞일 것이며, 충분한 시간이 흐른 뒤 새로운 별과 행성을 만드는 재료의 일부가 될 수도 있다.
그래서 이번 발견의 핵심은 ‘블랙홀 주변에서 물을 찾았다’는 자극적인 문장보다 더 크다.
초대질량 블랙홀 가까이에서도 별은 여전히 물질을 만들고, 우주는 그 물질을 다시 다음 세대로 넘길 준비를 하고 있다는 것이다.
블랙홀이 지배하는 것처럼 보이는 우리 은하 중심에서도 파괴와 생성은 동시에 일어나고 있었다.