JWST’s små røde prikker kan pege på tre trin mod de første supermassive sorte huller

JWST’s såkaldte små røde prikker kan være tegn på en vækstcyklus for sorte huller i det tidlige univers – snarere end én helt ny type himmelobjekt. Tre nyere forskningsspor kan sættes sammen til et muligt forløb: Først dannes et tungt frø, før normale stjerner opstår; derefter vokser det hurtigt inde i en uigennemsigtig kappe af gas; og i nogle systemer kan tætte møder mellem galakser og senere fusioner sætte yderligere fart på væksten.

Det kan være med til at løse et af kosmologiens store problemer: Hvordan kunne meget massive sorte huller opstå så kort tid efter Big Bang? Men det betyder ikke, at alle små røde prikker har samme oprindelse. Der findes fortsat flere konkurrerende forklaringer.

1. Tunge frø før de første stjerner

Forslaget om »ikke-helt-primordiale« sorte huller beskriver en teoretisk mellemvej mellem sorte huller, der blev dannet i universets allerførste øjeblikke, og almindelige sorte huller, som opstår, når stjerner dør. I modellen samler relativt beskedne overkoncentrationer af mørkt stof gas meget tidligt. Den dengang varme kosmiske mikrobølgebaggrund kan forhindre gassen i at køle nok af til at dele sig op i stjerner. I stedet kan gassen måske kollapse direkte til et sort hul, før en almindelig stjernepopulation dannes. 19

Fordelen er tiden. Et sort hul, der starter med en forholdsvis stor masse, har langt mindre vækst at indhente end et frø fra én enkelt massiv stjerne. Men det er en dannelseshypotese – ikke en direkte påvisning af et frø fra tiden før stjernerne – og det er endnu ikke vist, hvor relevant mekanismen er for den samlede bestand af små røde prikker. 19

2. Tætte par kan afsløre en vej via interaktioner

Et studie fra COSMOS-Web har identificeret fire kandidatpar af små røde prikker med projicerede indbyrdes afstande på 0,2 til 1,2 buesekunder. Analysen vurderer, at fordelingen næppe alene kan forklares som tilfældige overlejringer af objekter ved forskellige rødforskydninger. 40

For to af systemerne findes spalteløs spektroskopi, og i hvert par ses en spektrallinje ved samme observerede bølgelængde. Det støtter, at komponenterne faktisk ligger tæt på hinanden i det tidlige univers. 40 Hvis de kompakte kilder rummer aktivt voksende sorte huller, kan nærliggende par være vigtige på to måder:

• Galakseinteraktioner kan forstyrre gassen og lede den ind mod de centrale sorte huller.
• Senere sammensmeltninger af galakser og deres sorte huller kan bygge masse op trin for trin.

Forbeholdet er afgørende: To kilder, der ligger tæt på himlen, er ikke nødvendigvis et gravitationelt bundet galaksepar, og et fysisk forbundet par ender ikke nødvendigvis i en fusion mellem sorte huller. Observationerne er bedst forstået som tegn på, at tætte omgivelser kan spille en rolle – ikke som en bekræftelse af sammensmeltende sorte huller. 40

3. MoM-BH*-1 viser, hvorfor et voksende sort hul kan ligne en stjerne

MoM-BH*-1 er et markant eksempel på, hvorfor små røde prikker er svære at klassificere ud fra deres udseende alene. Forskerne beskriver kilden som mest sandsynligt en meget tæt gassky, der får sin energi fra et centralt sort hul – ikke fra almindelig kernefusion i stjerner. 1

I den fremlagte model ligger et sort hul med omkring 100.000 solmasser inde i en enorm brintkappe på omtrent Solsystemets størrelse. Gassen omkring det tilvoksende sorte hul omdanner energien, så systemet får et stjernelignende udseende. Derfor bruges den uformelle betegnelse »sort hul-stjerne«. 1

Hvis fortolkningen holder, viser objektet en vigtig observationsmæssig pointe: Et sort hul, der æder stof hurtigt og er indlejret i usædvanligt tæt gas, kan fremstå som en kompakt rød kilde frem for en velkendt kvasar. MoM-BH*-1 kan dermed være én fysisk klasse i den bredere gruppe af små røde prikker – ikke nødvendigvis en skabelon for dem alle. 1

Det samlede billede: frø, føde og fusion

Set under ét peger studierne på en flerlagsforklaring på den hurtige opbygning af sorte huller i det tidlige univers:

1. Frø: Sjældne betingelser kan måske skabe sorte huller før normal stjernedannelse og give dem et forspring. 19
2. Føde: Tæt gas kan opretholde eller skjule en fase med hurtig tilvækst, hvor et voksende sort hul ligner en kompakt rød kilde som MoM-BH*-1. 1
3. Fusion: Tætte par og vekselvirkende værtsgalakser kan skabe flere gasindstrømninger og på længere sigt føre til sammensmeltninger mellem sorte huller. 40

Denne model er mindre afhængig af, at en enorm population af sorte huller blev skabt i universets første øjeblikke. Den kræver dog stadig usædvanlige miljøer i det unge univers, hvor gas kan samles effektivt, uden at den straks opdeles i almindelige stjerner.

Hvad kan afgøre sagen?

De næste afgørende tests bliver observationelle. Spektroskopi kan klarlægge, om flere par af små røde prikker virkelig er fysisk forbundne, og om begge komponenter har tegn på tilvækst omkring sorte huller. Større stikprøver kan vise, om tætte ledsagere er hyppige nok til, at fusioner er en væsentlig vækstvej. Mere detaljerede spektre kan også skelne modeller med tætte gasskaller omkring sorte huller fra alternativer med ekstreme stjerner eller meget kompakte galakser.

Den mest nøgterne konklusion er foreløbig, at JWST muligvis ser flere stadier af dannelsen og væksten af tidlige sorte huller på én gang. Tunge frø, skjult tilvækst og interaktioner er komplementære muligheder – endnu ikke én bekræftet oprindelseshistorie for hver eneste lille rød prik.