Sådan kan sorte huller have forklædt sig som små røde prikker

JWST har afsløret hundredvis af små, kompakte og usædvanligt røde lyskilder i det tidlige univers. De kaldes Little Red Dots – små røde prikker – og har været svære at forklare: Hvordan kunne noget så kompakt lyse så kraftigt kort tid efter Big Bang?

To nye forskningsspor giver nu hver sin del af svaret. Simuleringer på den japanske supercomputer ATERUI III undersøger, hvordan meget tunge sorte huller kan opstå og vokse hurtigt. JWST-observationer af et særligt ekstremt objekt viser samtidig, hvordan et voksende sort hul kan se rødt og stjernelignende ud, når det er pakket ind i tæt gas. 513

Det er ikke et bevis for, at alle Little Red Dots er ens. Men tilsammen tegner resultaterne et konkret og testbart billede af en tidlig vækstfase for supermassive sorte huller.

Først: Et tungt frø i stedet for et almindeligt sort hul

Sunmyon Chons hold har brugt ATERUI III til kosmologiske simuleringer af tætte områder i det unge univers, blandt andet forløbere til galaksehobe. Spørgsmålet er grundlæggende: Hvordan kan et sort hul blive meget massivt, når universet stadig er ganske ungt? 5

I simuleringerne udsender nærliggende unge galakser kraftig fjern-ultraviolet stråling. Den hæmmer den molekylære afkøling af gasskyer. Normalt hjælper afkøling en sky med at dele sig i mange mindre klumper, som derefter kan danne almindelige stjerner. Når opsplitningen undertrykkes, kan gassen i stedet kollapse langt mere samlet. 5

Resultatet er i modellen supermassive stjerner på cirka 500.000 til 900.000 solmasser. De lever kort og kollapser derefter til meget tunge frø af sorte huller – snarere end til de langt mindre sorte huller, som typisk dannes efter normale massive stjerners død. 5

Det er afgørende for tidsregnskabet. Et sort hul, der begynder med en masse tæt på en million sole, behøver langt færre væksttrin for at nå de million- eller milliard-solmasser, der observeres hos aktive sorte huller i det tidlige univers. 5

Derefter: Ekstrem vækst bag et tykt lag gas

Det tunge frø bliver ifølge simuleringen liggende i en tæt skive af gas. Skiven er optisk tyk, hvilket betyder, at strålingen fra området omkring det sorte hul ikke let slipper ud.

Det ændrer den normale bremse på væksten. Når stråling lettere kan slippe væk, kan dens tryk skubbe indstrømmende gas bort. Men i den tætte skive bliver energien i højere grad fanget, og gassen kan fortsætte med at falde ind mod det sorte hul. 5

Chons hold finder, at det sorte hul under disse betingelser kan opsluge stof med hastigheder, der er mange gange højere end den sædvanlige Eddington-grænse – den klassiske grænse, hvor udadgående strålingstryk forventes at modvirke yderligere tilførsel af gas. I simuleringen kan hullet nå omkring 30 millioner solmasser cirka 600 millioner år efter Big Bang. 5

Pointen er ikke, at fysikken skal skrives om. Forklaringen bruger tyngdekraft, gasdynamik og strålingsfeedback under de særligt tætte forhold, som simuleringen frembringer i det tidlige univers. 5

Hvorfor de små røde prikker kan være så talrige

Little Red Dots er ikke blot enkelte mærkværdigheder. Deres antal betyder, at en forklaring helst skal kunne skabe en population – ikke kun forklare et usædvanligt enkeltobjekt.

Her er ATERUI III-resultatet interessant, fordi ingredienserne opstår naturligt i simuleringens tætte tidlige miljøer: gasrige områder, stærk ultraviolet stråling fra nabogalakser og en indhyllet fase med hurtig tilvækst. 5

Simuleringen giver også mulige observerbare kendetegn. Det tætte materiale omkring det voksende sorte hul kan ændre det lys, der slipper ud, og i modellens ramme frembringe blandt andet bred H-alfa-emission, som er relevant for observationer af Little Red Dots. 5

Det stemmer overens med andet spektroskopisk arbejde, der tolker mange Little Red Dots som unge supermassive sorte huller med relativt lav masse, der opsluger stof nær Eddington-grænsen, mens de er indhyllet i tykke kokoner af ioniseret gas. 3

Et sort hul, der ligner en rød stjerne

Rohan Naidus JWST-studie tager fat i den anden halvdel af gåden: Hvordan kan sådan et objekt se ud for teleskopet?

Holdet undersøgte MoM-BH*-1, en ekstremt kompakt og rød lyskilde. Spektret viser et dybt Balmer-brud, kun svage tegn på grundstoffer ud over hydrogen og helium samt en lysstyrke, som almindelig stjernefusion ikke let kan forklare. 1

Den foretrukne model er et sort hul på omtrent 100.000 solmasser, der opsluger gas inde i en ekstremt tæt, hydrogenrig kokon på omtrent Solsystemets skala. Gassen fungerer som en slags pseudofotosfære: Den absorberer og omdanner energien fra tilvæksten, så det lys, vi ser, minder om lyset fra en rød stjerne. 110

Det er baggrunden for udtrykket "sort-hul-stjerne". Det er hverken en almindelig stjerne eller et nyt navn for et sort hul. Det er en foreslået kombination: et hurtigt voksende sort hul, gemt i en optisk tyk atmosfære af gas. 110

Rød betyder ikke nødvendigvis støv

Tidligere JWST-studier gjorde allerede skjult tilvækst på sorte huller til en stærk forklaring på de kompakte røde kilder. Et studie beskriver Little Red Dots som aktive galaksekerner med unge, lavmassesupermassive sorte huller, der er begravet i tykke gasskokoner. 3

De nye resultater skærper billedet på to forskellige måder:

• Simuleringerne viser en mulig fysisk vej til at danne tunge frø og fodre dem hurtigt nok til at skabe tidlige sorte huller. 5
• JWST-kandidaten viser, hvordan tæt gas – muligvis med meget lidt støv – kan få et tilvoksende sort hul til at fremstå både rødt og stjernelignende. 110

Det er en vigtig skelnen. Røde farver bliver ofte forbundet med støv i stjernedannende galakser. Men i denne model kan farven og absorptionsmønstrene i stedet opstå i ekstremt tæt gas omkring det sorte hul. 10

Det ved forskerne stadig ikke

Der er god grund til forsigtighed. Naidus studie giver sit stærkeste direkte eksempel for ét særligt objekt og viser ikke, at alle Little Red Dots er sort-hul-stjerner. Chons simulering viser en realistisk dannelsesvej, men den er ikke det samme som en optælling eller endelig klassifikation af hele den observerede population. 51

Little Red Dots er sandsynligvis ikke en ensartet gruppe. Nogle kan være domineret af tilvoksende sorte huller i ioniserede gasskokoner, mens andre kan have væsentlige bidrag fra værtsgalaksen, støv eller meget kompakt stjernedannelse. Der er fortsat faglig debat om, hvad der præcis gemmer sig bag hele populationen. 34

Den mest interessante foreløbige konklusion er derfor, at JWST måske ser nogle af universets første sorte huller i en kort, voldsom og gasindhyllet vækstfase: En fase, der både kan få dem til at vokse ekstremt hurtigt og få dem til at ligne små røde lysprikker på himlen.