Gwiazda niczym czarna dziura – tajemnicze obiekty z młodego Wszechświata

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po raz kolejny dostarczył astronomom obserwacji, które zmuszają do ponownego przemyślenia historii młodego Wszechświata. Wśród najbardziej zagadkowych odkryć ostatnich lat znajdują się tak zwane Little Red Dots, czyli „małe czerwone kropki” – odległe, niezwykle jasne obiekty, których natura wciąż nie została jednoznacznie wyjaśniona.

Jednym z najbardziej interesujących przykładów jest obiekt nazwany MoM-BH*. Jego właściwości sprawiają, że przypomina jednocześnie ogromną gwiazdę, aktywną czarną dziurę oraz hipotetyczną kwazigwiazdę – czarną dziurę otoczoną niezwykle gęstą chmurą gazu.

To odkrycie może mieć ogromne znaczenie dla odpowiedzi na jedno z fundamentalnych pytań współczesnej astronomii: jak supermasywne czarne dziury mogły osiągnąć ogromne rozmiary tak wcześnie w historii Wszechświata?

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zagląda w przeszłość

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został zaprojektowany między innymi po to, aby badać najstarsze i najbardziej odległe obiekty we Wszechświecie.

Obserwowanie bardzo odległych galaktyk jest w rzeczywistości podróżą w czasie. Światło potrzebuje miliardów lat, aby dotrzeć do Ziemi, dlatego teleskop pokazuje nam obiekty takimi, jakimi były w odległej przeszłości.

Webb prowadzi obserwacje przede wszystkim w podczerwieni. Jest to szczególnie istotne w przypadku bardzo odległego Wszechświata, ponieważ ekspansja przestrzeni rozciąga fale świetlne emitowane przez młode galaktyki. Promieniowanie przesuwa się w kierunku dłuższych fal i trafia w zakres, który może być obserwowany przez JWST.

Dzięki temu teleskop jest w stanie badać obiekty powstałe zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Tajemnicze „małe czerwone kropki”

Pierwsze obiekty określane jako Little Red Dots zaczęto wykrywać dzięki obserwacjom Webba. Na zdjęciach wyglądają jak niewielkie, czerwone punkty.

Ich niewielki rozmiar pozorny jest jednak bardzo mylący. Znajdują się one w ogromnych odległościach od Ziemi, a część z nich pochodzi z okresu, gdy Wszechświat był jeszcze bardzo młody.

Astronomowie zidentyfikowali już setki takich obiektów.

Problem polega na tym, że nie pasują one idealnie do żadnej z dobrze poznanych kategorii obiektów astronomicznych.

Niektóre właściwości przypominają kwazary, inne mogą wskazywać na bardzo młode galaktyki. Jeszcze inne obserwacje prowadzą naukowców w stronę znacznie bardziej egzotycznej możliwości – istnienia czarnych dziur otoczonych ogromną ilością gazu.

Obiekt, który świeci jak czarna dziura

Jednym z najbardziej niezwykłych obiektów jest MoM-BH*.

Według obserwacji przypomina on obiekt o rozmiarach porównywalnych ze skalą Układu Słonecznego, ale jego emisja jest niewyobrażalnie intensywna.

To właśnie tutaj pojawia się niezwykła zagadka.

Zwykła gwiazda o podobnej wielkości nie powinna być w stanie wygenerować tak ogromnej ilości energii. Obserwowana jasność jest znacznie łatwiejsza do wyjaśnienia, jeśli źródłem energii jest materia opadająca na czarną dziurę.

Czarna dziura sama w sobie nie świeci. Jednak materia znajdująca się w jej bezpośrednim otoczeniu może zostać rozgrzana do ekstremalnych temperatur. Gaz tworzy wtedy niezwykle gorący dysk akrecyjny, który może emitować ogromne ilości promieniowania.

Dlatego astronomowie zaczęli określać MoM-BH* mianem „gwiazdy czarnej dziury”.

Dlaczego to problem dla astronomów?

Istnienie bardzo masywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie od dawna stanowi zagadkę.

Według klasycznego scenariusza czarne dziury powstają między innymi w wyniku śmierci bardzo masywnych gwiazd. Następnie mogą zwiększać swoją masę, pochłaniając gaz i inne obiekty oraz łącząc się z kolejnymi czarnymi dziurami.

Problem pojawia się wtedy, gdy cofamy się do pierwszych setek milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Wszechświat był wówczas bardzo młody. Czasu na powstanie gwiazd, galaktyk oraz gigantycznych czarnych dziur było stosunkowo niewiele.

A jednak obserwujemy obiekty, które już wtedy były niezwykle masywne i energetyczne.

Kwazigwiazda – czarna dziura ukryta w gwiazdowej otoczce

Jednym z możliwych wyjaśnień jest koncepcja kwazigwiazdy.

W tym modelu czarna dziura nie znajduje się samotnie w przestrzeni kosmicznej. Jest zanurzona w ogromnej, niezwykle gęstej otoczce gazowej.

Taki obiekt mógłby z zewnątrz przypominać gigantyczną gwiazdę.

Jego energia nie pochodziłaby jednak przede wszystkim z reakcji termojądrowych zachodzących w gwiazdach. Źródłem energii byłaby materia opadająca na czarną dziurę znajdującą się wewnątrz gazowej otoczki.

To rozwiązanie pozwala połączyć dwa pozornie sprzeczne obrazy: obiekt wyglądający jak gwiazda i proces energetyczny charakterystyczny dla aktywnej czarnej dziury.

Skąd mogły powstać tak ogromne czarne dziury?

Klasyczny scenariusz zaczyna się od gwiazdy.

Bardzo masywna gwiazda kończy swoje życie, a jej jądro zapada się pod wpływem grawitacji. W odpowiednich warunkach powstaje czarna dziura.

Następnie czarna dziura rośnie.

Problem polega na tym, że nawet bardzo szybkie pochłanianie materii może nie wystarczyć, aby z niewielkiego obiektu powstała supermasywna czarna dziura w niezwykle krótkim czasie.

Dlatego astronomowie rozważają alternatywne mechanizmy.

Jednym z nich jest możliwość powstawania tak zwanych masywnych czarnych dziur zalążkowych bez konieczności przechodzenia przez klasyczny etap śmierci gwiazdy.

Jeżeli takie obiekty rzeczywiście mogły powstawać bezpośrednio z ogromnych obłoków pierwotnego gazu, mogłyby rozpoczynać swoją ewolucję od znacznie większej masy.

„The Cliff” – wyjątkowy przypadek

Wśród Little Red Dots szczególnie interesujący jest obiekt określany jako „The Cliff”.

Jego nazwa odnosi się do charakterystycznego kształtu widma promieniowania. Analiza światła docierającego z tego obiektu wskazuje na obecność bardzo gęstego gazu, który może pochłaniać część promieniowania.

Taki obraz jest zgodny z hipotezą, według której wewnątrz gęstej otoczki może znajdować się czarna dziura.

Nie oznacza to jednak, że astronomowie uznali tę interpretację za ostatecznie potwierdzoną.

Wręcz przeciwnie – „The Cliff” pokazuje, jak wiele różnych mechanizmów może odpowiadać za podobny wygląd odległego obiektu.

Czy Little Red Dots to kwazary?

Jednym z pierwszych podejrzeń było właśnie to, że tajemnicze czerwone punkty są szczególnym rodzajem kwazarów.

Kwazary to niezwykle jasne aktywne jądra galaktyk. Ich ogromna energia pochodzi z materii opadającej na supermasywną czarną dziurę.

Problem polega na tym, że Little Red Dots nie zachowują się dokładnie tak, jak typowe kwazary.

Niektóre z nich nie wykazują oczekiwanej zmienności jasności. Brakuje również silnej emisji rentgenowskiej charakterystycznej dla wielu aktywnych jąder galaktyk.

To sugeruje, że możemy mieć do czynienia z obiektami znajdującymi się na wcześniejszym lub zupełnie innym etapie ewolucji.

A może są to niezwykle młode galaktyki?

Inną możliwością jest to, że czerwone kropki są po prostu bardzo młodymi galaktykami.

Taka interpretacja również napotyka jednak problemy.

Niektóre z obserwowanych obiektów wydają się zbyt jasne i zbyt masywne jak na tak wczesny etap historii Wszechświata. Gdyby ich światło pochodziło wyłącznie od gwiazd, potrzebna byłaby ogromna liczba bardzo masywnych i intensywnie świecących gwiazd.

Modele wskazują również na bardzo wysokie tempo powstawania gwiazd.

Dlatego część astronomów uważa, że same gwiazdy mogą nie wystarczać do wyjaśnienia obserwowanych właściwości.

Model hybrydowy

Istnieje również rozwiązanie pośrednie.

Według tak zwanego modelu hybrydowego światło obserwowane z małych czerwonych kropek może pochodzić zarówno od gwiazd, jak i aktywnej czarnej dziury.

Taki model wydaje się intuicyjnie atrakcyjny, ponieważ młoda galaktyka może zawierać zarówno intensywnie formujące się gwiazdy, jak i rosnącą czarną dziurę.

Jednocześnie pojawia się kolejny problem: w niektórych przypadkach masa czarnej dziury musiałaby być niezwykle duża w stosunku do masy otaczających ją gwiazd.

To odbiega od relacji obserwowanych w bardziej dojrzałych galaktykach.

Czy odkryto nowy rodzaj obiektu?

Na tym etapie trzeba zachować ostrożność.

Określenie „nowy typ obiektu astrofizycznego” brzmi bardzo efektownie, ale astronomowie nadal próbują ustalić, czym dokładnie są Little Red Dots i czy wszystkie należą do tej samej kategorii.

Możliwe, że pod wspólną nazwą kryje się kilka różnych rodzajów obiektów.

Część może być młodymi galaktykami z aktywnymi czarnymi dziurami, część może odpowiadać nietypowym kwazarom, a niektóre mogą rzeczywiście przypominać hipotetyczne kwazigwiazdy.

Dalsze obserwacje będą kluczowe.

Co odkrycie mówi o młodym Wszechświecie?

Najważniejszym znaczeniem tych obserwacji może być nie samo odkrycie konkretnego obiektu, lecz zakwestionowanie części dotychczasowych modeli kosmicznej ewolucji.

Jeżeli supermasywne czarne dziury rzeczywiście powstawały niezwykle szybko, astronomowie będą musieli lepiej zrozumieć procesy zachodzące w pierwszych galaktykach.

Być może czarne dziury mogły rosnąć znacznie szybciej, niż dotychczas zakładano.

Możliwe również, że we wczesnym Wszechświecie działały mechanizmy, których znaczenia jeszcze nie doceniamy.

Czy mogą istnieć pierwotne czarne dziury?

Jeszcze bardziej egzotyczną możliwością są pierwotne czarne dziury.

W przeciwieństwie do czarnych dziur powstałych w wyniku śmierci gwiazd miałyby one powstać w bardzo młodym Wszechświecie, być może jeszcze przed narodzinami pierwszych gwiazd.

Taka hipoteza jest znacznie bardziej spekulacyjna, ale jej potwierdzenie miałoby ogromne konsekwencje dla kosmologii.

Pierwotne czarne dziury mogłyby być pozostałością po ekstremalnych warunkach panujących tuż po Wielkim Wybuchu. Niektórzy badacze rozważają również ich potencjalny związek z problemem ciemnej materii.

Na razie nie ma jednak jednoznacznych dowodów, że takie obiekty rzeczywiście istnieją.

Webb dopiero zaczyna odkrywać tajemnice

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pokazał już, że młody Wszechświat był bardziej złożony, niż wynikało z wielu wcześniejszych modeli.

Małe czerwone kropki są tego doskonałym przykładem.

Jeszcze kilka lat temu astronomowie nie wiedzieli, że istnieje cała populacja takich obiektów. Dziś próbują ustalić, czy są one brakującym elementem układanki dotyczącej narodzin galaktyk i supermasywnych czarnych dziur.

Kolejne obserwacje mogą dostarczyć informacji o ich widmach, temperaturze, składzie chemicznym, rozmiarach oraz aktywności.

To właśnie te dane pozwolą odróżnić konkurencyjne hipotezy.

Nowa zagadka w historii Wszechświata

Odkrycie MoM-BH* i innych Little Red Dots pokazuje, że astronomia wciąż może natrafić na obiekty, które nie pasują do prostych kategorii.

„Gwiazda czarnej dziury” nie musi oznaczać dosłownie nowego rodzaju gwiazdy. Może być oznaczeniem niezwykłego obiektu, w którym ogromna ilość gazu skrywa aktywną czarną dziurę.

Jeżeli jednak hipoteza kwazigwiazd znajdzie mocne potwierdzenie obserwacyjne, może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób powstały jedne z największych czarnych dziur we Wszechświecie.

Podsumowanie

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył we wczesnym Wszechświecie populację tajemniczych obiektów znanych jako Little Red Dots. Jednym z najbardziej niezwykłych jest MoM-BH*, którego właściwości sugerują obecność potężnego źródła energii przypominającego aktywną czarną dziurę.

Jedną z możliwych interpretacji jest istnienie kwazigwiazd – ogromnych obiektów, w których czarna dziura znajduje się wewnątrz gęstej otoczki gazowej. Taki mechanizm mógłby stanowić jedno z wyjaśnień szybkiego powstawania supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.

Nie wiadomo jeszcze, czy właśnie taka jest natura tajemniczych czerwonych kropek. Pewne jest natomiast, że ich odkrycie otworzyło nowy rozdział badań nad pierwszymi galaktykami, czarnymi dziurami i ewolucją kosmosu.