Kolme JWST-vihjettä varhaisten mustien aukkojen nopeasta kasvusta

James Webb -avaruusteleskooppi (JWST) on paljastanut varhaisesta maailmankaikkeudesta pieniä, punertavia ja hyvin kompakteja kohteita, joita kutsutaan pieniksi punaisiksi pisteiksi (little red dots, LRD). Ainakin osa niistä saattaa liittyä nopeasti ainetta kerääviin massiivisiin mustiin aukkoihin.

Niiden runsaus ja mustien aukkojen näennäisen nopea kasvu ovat hankalia sovittaa yksinkertaiseen malliin, jossa jokainen musta aukko alkaa tavallisen tähden jäänteenä ja kasvaa sen jälkeen tasaisesti. Kolme tuoretta tutkimussuuntaa viittaa siihen, että ratkaisu voi koostua useasta vaiheesta: osa aukoista on voinut syntyä tavallista suurempina, kasvaa galaksien vuorovaikutuksissa ja sulautumisissa sekä jäädä ajoittain tiheän kaasun kätköön. Kyse on toisiaan täydentävistä hypoteeseista, ei yhdestä varmistetusta selityksestä.

1. Poikkeuksellisen varhaiset pimeän aineen halot saattoivat synnyttää suurempia alkioita

Niin sanottu ”ei aivan alkukantainen” mustan aukon malli sijoittuu kahden tutumman ajatuksen väliin. Se ei edellytä niin voimakkaita tiheysvaihteluita, että alkukantaisia mustia aukkoja olisi syntynyt välittömästi inflaation jälkeen. Sen sijaan maltillisemmat, mutta voimistuneet tiheysvaihtelut olisivat voineet saada pimeän aineen haloja romahtamaan poikkeuksellisen aikaisin. 33

Jos halo muodostui ennen suunnilleen punasiirtymää 200, kosmisen mikroaaltotaustan säteily olisi voinut estää molekyylivedyn muodostumista. Ilman molekyylivedyn tarjoamaa jäähtymisreittiä sisään virtaava kaasu ei välttämättä pirstaloituisi tähdiksi tavalliseen tapaan, vaan voisi romahtaa suoraan mustaksi aukoksi. 33

Ajatuksen etu on selvä: jos osa mustista aukoista syntyi ennen tavanomaista tähtienmuodostusta isäntähaloissaan, ne saattoivat aloittaa kasvunsa aiemmin ja mahdollisesti suurempina kuin tähtijäänteistä syntyneet alkiot. Tämä vähentäisi myöhemmin tarvittavan äärimmäisen kasvun määrää, vaikka ei poistaisi sitä kokonaan.

Kyse on silti teoreettisesta mekanismista. Sen merkitys havaittujen pienten punaisten pisteiden populaatiolle riippuu siitä, kuinka usein näin harvinaisia alkuolosuhteita todellisuudessa syntyi ja vastaavatko mallin ennustamat myöhemmät kohteet JWST:n havaintoja.

2. Läheiset LRD-parit voivat paljastaa sulautumiskanavan

Erillisessä JWST-kuva-analyysissä löydettiin neljä ehdokasparia, joissa kaksi pientä punaista pistettä sijaitsee poikkeuksellisen lähellä toisiaan maailmankaikkeudessa noin 12,5–12,8 miljardia vuotta sitten. Kahden parin spektroskopiassa osapuolilla havaittiin lähes sama punasiirtymä. Tämä tukee tulkintaa, että kohteet olivat todella lähellä toisiaan eivätkä vain näennäisesti samalla näkölinjalla. 15

Jos LRD:t jäljittävät aktiivisesti kasvavia mustia aukkoja, läheiset galaksikohtaamiset voivat vauhdittaa kasvua kahdella tavalla:

• Kaasun ohjautuminen keskustaan: gravitaatiovuorovaikutus voi kuljettaa kaasua galaksien keskuksiin mustien aukkojen polttoaineeksi.
• Myöhempi yhdistyminen: isäntägalaksien sulautuessa niiden keskusten mustat aukot voivat muodostaa kaksoisjärjestelmän ja lopulta sulautua, jolloin massaa kertyy suoraan lisää.

Tulkinta on lupaava, mutta kyse ei ole vielä suorasta havainnosta mustien aukkojen sulautumisesta. Kohteet ovat LRD-ehdokaspairs, ja sen selvittäminen, sisältävätkö molemmat osapuolet massiivisen, ainetta keräävän mustan aukon — sekä sulautuvatko ne lopulta — vaatii lisää spektroskopiaa, dynaamisia mittauksia ja viime kädessä gravitaatioaaltohavaintoja. Toistaiseksi löydös on parhaiten nähtävä merkkinä siitä, että läheiset ympäristöt saattoivat olla tärkeitä varhaisen kasvun aikakaudella. 15

3. ”Musta aukko -tähti” voisi peittää nopean kasvun kaasuun

MoM-BH*-1 tarjoaa toisenlaisen vihjeen. Se ei ensisijaisesti selitä, miten musta aukko syntyy tai liittyy toiseen mustaan aukkoon, vaan miten se voi kasvaa näyttämättä tavanomaiselta aktiiviselta galaksiytimeltä.

Ehdotetussa tulkinnassa kyse on ainetta keräävästä mustasta aukosta, jota ympäröi tiheä vetypeite. MoM-BH*-1 havaitaan punasiirtymässä 7,7569, jolloin maailmankaikkeus oli noin 660 miljoonan vuoden ikäinen. Mallinnetun vetypeitteen mittakaava on noin 10–100 tähtitieteellistä yksikköä, siis karkeasti Aurinkokunnan kokoluokkaa. 2326

Kun ainetta putoaa kohti mustaa aukkoa, vapautuva energia voi imeytyä ympäröivään kaasuun, sirota siinä ja säteillä uudelleen. Siksi kohteen spektri voi muistuttaa tähteä, vaikka energianlähde on aineen kertyminen mustaan aukkoon. Mallissa keskellä olevan mustan aukon massaksi arvioidaan noin 100 000 Auringon massaa ja kokonaiskirkkaudeksi noin 80–100 miljardia Auringon kirkkautta. 2426

Tämä on olennaista LRD-kohteiden kannalta, sillä tiheä kaasu voi sekä ruokkia mustaa aukkoa että muokata voimakkaasti sitä valoa, jonka tähtitieteilijät havaitsevat. Kaasun peittämä, nopeasti kasvava aukko voisi siis näyttää samanaikaisesti pieneltä ja punaiselta. MoM-BH*-1 on kuitenkin poikkeuksellinen yksittäiskohde ja mallinnukseen perustuva tulkinta; se ei osoita, että kaikki pienet punaiset pisteet olisivat musta aukko -tähtiä.

Usean vaiheen selitys yhden pikaratkaisun sijaan

Yhdessä kolme ideaa hahmottavat mahdollisen kasvuketjun:

1. Varhainen ja suuri alku: suora romahtaminen tavallista varhaisemmissa haloissa voisi synnyttää mustan aukon alkioita ennen tavallista tähtienmuodostusta.
2. Tehokas ruokinta: tiheä kaasukehä voisi peittää kirkkaan ja nopean aineen kertymisen.
3. Kasvu kokoontumalla: galaksien kohtaamiset ja mustien aukkojen sulautumiset voisivat lisätä massaa sekä käynnistää uutta kaasun virtausta keskustaan.

Ratkaiseva avoin kysymys on, kuinka yleisiä nämä mekanismit ovat koko populaatiossa. Pienet punaiset pisteet eivät välttämättä ole yksi yhtenäinen kohdeluokka, ja näyttö vaihtelee teoriasta ehdokaspereihin ja yhden poikkeuksellisen kohteen tulkintaan. Kokonaiskuva siirtää silti keskustelua pois yhdestä epätodennäköisestä kasvupolusta: ensimmäisillä massiivisilla mustilla aukoilla saattoi olla useita tapoja syntyä, kasvaa ja sulautua nuorekkaassa maailmankaikkeudessa.