Fire par af “Little Red Dots” kan afsløre, hvordan sorte huller voksede så hurtigt

Astronomer har ved hjælp af en ny farveanalyse, der undersøger James Webb-rumteleskopets billeder pixel for pixel, fundet fire kandidatpar af såkaldte “Little Red Dots” (LRD’er). Det er kompakte og meget røde objekter, som menes at kunne repræsentere en tidlig fase i den hurtige vækst af sorte huller.

Analysen gør det muligt at skelne mellem røde kerner, der ligger tæt på hinanden, men som i traditionelle analyser let kan blive opfattet som ét enkelt kompakt objekt. Resultaterne tyder på en overraskende stor forekomst af tætte par af sorte hul-kandidater på kiloparsec-skala i det tidlige univers. Den præcise fysiske natur af LRD’erne er dog stadig omdiskuteret. 81

Flere tegn på, at parrene hører fysisk sammen

De fire kandidatpar ligger med en vinkelafstand på blot 0,2–1,2 buesekunder i billeder fra COSMOS-Web. Ved at kombinere pixelbaserede farver med mindre strenge krav til objekternes kompakthed kunne forskerne identificere systemer, hvor to objekter enten er tæt sammenblandede eller ligger meget nær hinanden. 8

For to af parrene fandt James Webb-teleskopets spalteløse COSMOS-3D-spektre en emissionslinje ved samme observerede bølgelængde i begge medlemmer. Hvis de brede linjer med høj ækvivalentbredde fortolkes som H-alfa, svarer det til fælles rødforskydninger på henholdsvis 5,822 og 5,464. Det støtter, at objekterne er fysisk forbundne – snarere end to uafhængige objekter, der tilfældigvis ligger på samme synslinje. 8

De spektroskopiske rødforskydninger giver projicerede afstande på 1,64 og 7,36 kiloparsec, svarende til cirka 5.300 og 24.000 lysår. Lyset fra de fire systemer blev udsendt for omkring 12,5–12,8 milliarder år siden. 8

Forskerne sammenlignede desuden observationerne med statistiske simulerede kataloger. Sammenligningen viser, at tilfældige projektioner langs synslinjen vanskeligt kan forklare de små afstande. På små skalaer er klyngedannelsen af LRD’er omkring 20–30 gange stærkere end det niveau, man ville forvente ved at forlænge JWST’s målte sammenhæng mellem aktive galaktiske kerner på større skalaer. 8

Det gør parrene til sandsynlige forstadier til sammenstød mellem galakser og sorte huller. Det er dog ikke det samme som en direkte bekræftelse af sorte hul-binærer, der allerede er i deres afsluttende spiralbevægelse mod en fusion. LRD’ernes identitet som aktive, voksende sorte hul-kandidater og deres eventuelle fusionstidspunkt kræver fortsat observationer. 81

Hvorfor fundet er vigtigt

Hvis begge LRD’er i et par rummer sorte huller, kan en galaksesammensmeltning samle deres masser og presse gas ind mod det fælles centrum. Det kan igen give næring til yderligere, hurtig tilvækst.

En kombination af gentagne fusioner og gasakkretion – altså at sorte huller opsamler materiale fra deres omgivelser – kan være en mulig vej til at danne meget massive sorte huller på den relativt korte tid, der var gået siden Big Bang. 8

Det er centralt, fordi LRD’er ofte betragtes som mulige spor efter en tidlig vækstfase for supermassive sorte huller. Astronomerne har imidlertid endnu ikke afgjort, hvad der får dem til tilsyneladende at vokse så hurtigt. 81

Fusioner er ikke den eneste forklaring

En vigtig alternativ forklaring er, at den hurtige vækst primært skyldes vedvarende og usædvanligt kraftig tilførsel af gas – ikke nødvendigvis fusioner.

Modeller og spektroskopiske undersøgelser peger på, at LRD’er kan være aktive galaktiske kerner, der er indlejret i tætte, optisk tykke gasskaller eller kokoner. Sådanne omgivelser kan både levere brændstof til det sorte hul og påvirke det røde lys, som James Webb-teleskopet registrerer. 32

Forklaringerne udelukker ikke hinanden. Tæt gas kan fremme høj akkretion før, under og efter en galaksefusion. De nuværende data viser derfor ikke, hvor stor en del af de tidlige sorte hullers vækst der skyldtes fusioner, og hvor stor en del der skyldtes gas, der faldt ind mod dem. 83

Hvad større JWST-undersøgelser kan vise

Hvis den pixelbaserede metode anvendes på bredere og dybere James Webb-undersøgelser, kan astronomerne måle andelen af LRD’er med tætte ledsagere langt mere præcist. De kan blandt andet undersøge, hvor ofte parrene optræder, hvordan hyppigheden ændrer sig med rødforskydning og lysstyrke, og om fusioner var almindelige nok til at udgøre en væsentlig vækstmekanisme. 8

Sådanne målinger kan bruges til at beregne forventede fusionsrater og masser for tidlige sorte hul-binærer. Det vil også forbedre udvælgelsen af mål og forudsigelserne for fremtidige rumobservatorier, der skal søge efter gravitationsbølger – herunder LISA og foreslåede detektorer i decihertz-området. 5

Indtil videre er konklusionen derfor, at undersøgelsen giver stærke tegn på et overskud af tætte LRD-par. Den er ikke en direkte påvisning af sorte huller, der fusionerer, eller af deres gravitationsbølger. 8