JWST:n pienet punaiset pisteet voivat paljastaa varhaisten jättimustien aukkojen kolmivaiheisen kasvun

JWST-avaruusteleskoopin havaitsemat pienet punaiset pisteet saattavat olla merkkejä varhaisen maailmankaikkeuden mustien aukkojen kasvun eri vaiheista, eivät yhden uudenlaisen kohdeluokan edustajia. Kolme tuoretta tutkimussuuntaa sopii yhteen mahdolliseksi ketjuksi: ensin syntyy tavallista suurempi alkusiemen, sitten musta aukko kasvaa nopeasti läpinäkymättömän kaasun sisällä ja joissakin järjestelmissä kasvu voi vauhdittua läheisten galaksikohtaamisten sekä myöhempien sulautumisten ansiosta.

Tällainen kokonaisuus voisi auttaa ratkaisemaan kosmisen aamunkoiton keskeistä ongelmaa: miten hyvin massiivisia mustia aukkoja ehti muodostua niin pian alkuräjähdyksen jälkeen. Se ei kuitenkaan tarkoita, että kaikilla pienillä punaisilla pisteillä olisi sama alkuperä. Useita kilpailevia tulkintoja on edelleen avoinna.

1. Suuri alkusiemen jo ennen ensimmäisiä tähtiä

”Ei aivan alkukantainen” -ehdotus sijoittuu teoreettisesti aivan varhaisimpina hetkinä syntyneiden alkukantaisten mustien aukkojen ja kuolleiden tähtien jättämien tavallisten mustien aukkojen väliin. Mallissa suhteellisen lievät pimeän aineen ylitiheydet kokoavat kaasua erittäin varhain. Tuolloin kuuma kosminen mikroaaltotausta voi estää kaasua jäähtymästä ja pirstoutumasta tähdiksi, jolloin kaasu voisi romahtaa suoraan mustaksi aukoksi ennen tavanomaisen tähtipopulaation syntyä. 19

Etuna on aikataulu. Jos musta aukko aloittaa suhteellisen suurimassaisena, sen ei tarvitse kasvaa yhtä paljon kuin yksittäisen massiivisen tähden jäänteenä syntyneen siemenen. Kyse on silti muodostumishypoteesista, ei suorasta havainnosta tähteä edeltävästä siemenestä, eikä sen merkitystä koko pienten punaisten pisteiden joukolle ole osoitettu. 19

2. Lähekkäiset pisteparit voivat paljastaa vuorovaikutuskanavan

COSMOS-Web-hankkeen tutkimus löysi neljä ehdokasta pienten punaisten pisteiden kaksoisjärjestelmiksi. Niiden näennäiset kulmaetäisyydet ovat 0,2–1,2 kaarisekuntia. Analyysin mukaan jakaumaa on epätodennäköistä selittää pelkillä satunnaisilla päällekkäisnäkymillä, joissa kohteet olisivat eri etäisyyksillä. 40

Kahdesta järjestelmästä on käytettävissä raoton spektroskopia, ja kummankin parin osissa näkyy viiva samalla havaitulla aallonpituudella. Tämä tukee tulkintaa, että osat ovat aidosti lähellä toisiaan varhaisessa maailmankaikkeudessa. 40

Jos kompaktit kohteet sisältävät aktiivisesti kasvavia mustia aukkoja, läheisillä pareilla voi olla merkitystä kahdella tavalla:

• galaksien vuorovaikutukset voivat häiritä kaasua ja ohjata sitä keskusten mustiin aukkoihin;
• galaksien ja niiden mustien aukkojen myöhemmät sulautumiset voivat kasvattaa massaa hierarkkisesti.

Tulkinnan on silti oltava ehdollinen. Taivaalla lähekkäin näkyvät kohteet eivät automaattisesti muodosta gravitaation sitomaa galaksiparia, eikä fyysisesti läheinen pari automaattisesti päädy mustien aukkojen sulautumiseen. Havainnot kertovat pikemminkin siitä, että lähiympäristöllä voi olla tärkeä rooli, eivät vielä vahvista sulautuvia mustia aukkoja. 40

3. MoM-BH*-1 näyttää, miksi kasvava musta aukko voi muistuttaa tähteä

MoM-BH*-1 havainnollistaa erityisen hyvin, miksi pieniä punaisia pisteitä on vaikea luokitella pelkän ulkonäön perusteella. Tutkijat pitävät todennäköisimpänä selityksenä tiheää kaasupilveä, jonka energia tulee keskellä olevasta mustasta aukosta eikä tavallisesta tähtien ydinfuusiosta. 1

Esitetyssä mallissa noin 100 000 Auringon massainen musta aukko on valtavan, Aurinkokunnan kokoisen vetykaasuvaipan sisällä. Ympäröivä kaasu muokkaa aineen keräämisestä vapautuvan energian uudelleen säteilyksi, jolloin järjestelmä näyttää tähden kaltaiselta. Tästä tulee epävirallinen nimitys mustan aukon tähti. 1

Jos tulkinta pitää paikkansa, se osoittaa keskeisen havainnollisen seikan: poikkeuksellisen tiheään kaasuun hautautunut ja nopeasti ainetta keräävä musta aukko voi näkyä kompaktina punaisena lähteenä tutumman kvasaari-ilmeen sijaan. Se voi siis edustaa yhtä fyysistä luokkaa laajemmassa pienten punaisten pisteiden joukossa, ei välttämättä mallia jokaiselle kohteelle. 1

Yhdistetty kuva: siemen, kasvu ja sulautuminen

Yhdessä tutkimukset tukevat kerroksittaista selitystä varhaisten mustien aukkojen nopealle kokoontumiselle:

1. Siemen: harvinaisissa oloissa mustia aukkoja voi syntyä ennen tavanomaista tähtimuodostusta, mikä antaa niille etumatkaa. 19
2. Kasvu: tiheä kaasu voi ylläpitää tai peittää nopeaa aineen kertymistä, jolloin kasvava musta aukko näkyy MoM-BH*-1:n kaltaisena kompaktina punaisena lähteenä. 1
3. Sulautuminen: läheiset parit ja vuorovaikuttavat isäntägalaksit voivat tarjota lisää kaasun virtausta sekä mahdollisuuksia myöhempiin mustien aukkojen sulautumisiin. 40

Mallissa ei tarvitse olettaa valtavaa mustien aukkojen populaatiota, joka olisi syntynyt maailmankaikkeuden aivan ensimmäisinä hetkinä. Se edellyttää silti poikkeuksellisia varhaisia ympäristöjä, joissa kaasu kokoontuu tehokkaasti mutta ei pirstoudu helposti tavallisiksi tähdiksi.

Mikä ratkaisisi kysymyksen?

Seuraavat ratkaisevat testit ovat havaintopohjaisia. Spektroskopia voi selvittää, ovatko useammat pienten punaisten pisteiden parit todella fyysisesti yhteydessä toisiinsa ja näkyykö kummassakin osassa aineen kertymiseen sopivia merkkejä. Laajemmat aineistot voivat puolestaan kertoa, ovatko läheiset seuralaiset niin yleisiä, että sulautuminen on merkittävä kasvureitti.

Yksityiskohtaisemmat spektrit voivat myös erottaa tiheään kaasuun kätkeytyvän mustan aukon mallit vaihtoehdoista, joissa kohde olisi esimerkiksi poikkeuksellisen äärimmäinen tähti tai kompakti galaksi.

Toistaiseksi järkevin johtopäätös on maltillinen: JWST saattaa nähdä samanaikaisesti useita varhaisten mustien aukkojen synty- ja kasvuvaiheita. Suuret alkusiemenet, kaasun peittämä aineen kertyminen ja galaksien vuorovaikutukset ovat toisiaan täydentäviä mahdollisuuksia – eivät vielä yksi vahvistettu alkuperätarina kaikille pienille punaisille pisteille.