Czarna dziura w gęstym kokonie – niezwykły obiekt z wczesnego wszechświata
Astronomowie z MIT, University of Hawai‘i, Uniwersytetu w Genewie, Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka i innych ośrodków, korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), natrafili na obiekt, jakiego nigdy wcześniej nie obserwowano. To jaskrawoczerwona plamka widoczna we wczesnym wszechświecie, która powstała zaledwie około 660 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Rozmiarami przypomina ogromną gwiazdę wielkości naszego Układu Słonecznego, ale emituje sto miliardów razy więcej energii, niż jakakolwiek gwiazda mogłaby wyprodukować w procesie syntezy jądrowej. Takie ilości energii kojarzą się raczej z czarną dziurą. Niezwykły obiekt został oznaczony jako MoM-BH*-1.
Naukowcy wcale nie szukali takiego obiektu. Prowadzili przegląd nieba o nazwie „Mirage or Miracle”, którego celem było znalezienie najstarszych, najdalszych galaktyk we wczesnym wszechświecie. Wśród obrazów z JWST wyróżniła się jedna plamka. W krótszych zakresach światła niewidoczna, w podczerwieni zaś niezwykle jasna.
Pierwszym podejrzanym był pył międzygwiezdny, który potrafi zabarwić przechodzące przezeń światło na czerwono. Ale widmo obiektu nie pasowało do typowego działania pyłu. Zamiast tego astronomowie zaobserwowali gwałtowny spadek jasności poniżej pewnej długości fali – zjawisko znane jako „skok Balmera”, charakterystyczne dla atmosfer gwiazd. Skok zaobserwowany w MoM-BH*-1 był jednak najgłębszy, jaki kiedykolwiek zaobserwowano. Był znacznie silniejszy, niż mogłaby wytworzyć jakakolwiek populacja gwiazd. To wykluczało zwykłą gwiazdę jako źródło światła. Dodatkowo w widmie niemal nie było śladu pierwiastków cięższych niż wodór i hel.
Naukowcy, na podstawie zebranych danych, stworzyli około miliona modeli różnych konfiguracji fizycznych, szukając tej, której obserwacje przyniosłyby takie same dane, jakie oni zebrali. Okazało się, że wystarczy niezwykle gęsta zasłona z czystego wodoru. Musi być na tyle gęsta, że przypomina raczej powierzchnię ogromnej gwiazdy niż rozrzedzoną mgławicę. Taki model tłumaczył zarówno skok Balmera, jak i brak innych pierwiastków. Nie wyjaśniał jednak ekstremalnej jasności obiektu.
Źródłem tak wielkiej energii mogła być aktywna czarna dziura. Gdy naukowcy dołączyli ją do symulacji gęstego, wodorowego kokonu i dopasowali parametry, otrzymali widmo niemal identyczne z obserwowanym. W ten sposób opisali najbardziej prawdopodobny scenariusz, odpowiadający ich obserwacjom. Wynika z niego, że zaobserwowany obiekt to czarna dziura o masie 100 000 mas Słońca, otoczona gęstym, gorącym obłokiem wodoru wielkości Układu Słonecznego, który pochłania i rozprasza jej promieniowanie.
Odkrycie może rozwiązać jedną z największych zagadek ery JWST – naturę tzw. „małych czerwonych kropek” (little red dots), które pojawiają się niemal na każdym zdjęciu wczesnego wszechświata wykonanym przez teleskop, a we współczesnym kosmosie już nie występują. Zdaniem autorów badania, każda z tych kropek może być właśnie taką „gwiazdą-czarną dziurą” ukrytą w zwykłej, młodej galaktyce. Z tą jednak różnicą, że w większości przypadków światło galaktyki miesza się ze światłem czarnej dziury. MoM-BH*-1 jest wyjątkowa, ponieważ całkowicie przyćmiewa galaktykę-gospodarza, dając naukowcom „czyste” widmo samej czarnej dziury.
To ważne również dla teorii powstawania supermasywnych czarnych dziur, które już w pierwszych 700 milionach lat istnienia wszechświata osiągały masy miliardów Słońc. To tempo trudne do wytłumaczenia na gruncie obecnie obowiązujących teorii. Gęsty gazowy kokon mógłby uwięzić promieniowanie i pozwolić czarnej dziurze rosnąć znacznie szybciej niż przewiduje klasyczna teoria.
Odkrycie ma też praktyczne znaczenie dla badaczy kosmosu. Skoro czerwień pochodzi od gazu, a nie pyłu, a kształt linii widmowych może wynikać z rozpraszania światła, a nie ruchu materii wokół czarnej dziury – dotychczasowe szacunki mas czarnych dziur w podobnych obiektach mogły być zawyżone nawet o kilka rzędów wielkości.
Szczegóły badań opisano na łamach Nature.
Komentarze (0)