JWST:n pikselianalyysi paljasti neljä mahdollista mustien aukkojen paria varhaisessa maailmankaikkeudessa

James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) infrapunakuvista on löytynyt neljä mahdollista paria niin kutsuttuja ”Little Red Dot” -kohteita eli pieniä punaisia pisteitä. Ne ovat hyvin kaukaisia ja kompakteja, punasävyisiä kohteita, joiden uskotaan voivan liittyä varhaiseen, nopeasti kasvavien mustien aukkojen vaiheeseen. Niiden tarkka luonne on kuitenkin edelleen tutkijoiden kiistanaihe. 81

Löytö tehtiin uudella pikselikohtaisella värimenetelmällä. Perinteinen kohteiden tunnistus voi sulauttaa hyvin lähekkäiset pisteet yhdeksi lähteeksi, mutta pikseli kerrallaan tarkasteltu infrapunaväri auttaa erottamaan vierekkäiset punaiset ytimet toisistaan. Menetelmää käytettiin COSMOS-Web-havaintoihin yhdessä tavallista väljemmän kompaktisuuskriteerin kanssa. 8

Mikä osoittaa, että parit ovat oikeasti lähekkäin?

Neljän parin osapuolet sijaitsevat kuvissa vain 0,2–1,2 kaarisekunnin etäisyydellä toisistaan. Pelkkä lähekkäisyys taivaalla ei silti riitä todistamaan, että kohteet ovat fyysisesti samassa järjestelmässä: kaksi täysin erillistä kohdetta voi sattua samalle näkösäteelle.

Kahden parin kohdalla JWST:n COSMOS-3D-hankkeen rakosettömät spektrit havaitsivat molemmista jäsenistä emissionviivan samalla havaitulla aallonpituudella. Jos leveät, voimakkaat viivat tulkitaan H-alfa-viivoiksi, parien punasiirtymät ovat 5,822 ja 5,464. Tämä tukee tulkintaa, jonka mukaan parit ovat fyysisiä naapureita eivätkä sattumanvaraisia päällekkäisiä kohteita. 8

Näiden punasiirtymien perusteella parien projisoidut etäisyydet ovat 1,64 ja 7,36 kiloparsekia – noin 5 300 ja 24 000 valovuotta. Havaitsemme järjestelmät ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli noin 12,5–12,8 miljardia vuotta nykyistä nuorempi. 8

Myös tilastollinen analyysi vahvistaa tulkintaa. Satunnaisia näkösuunnan päällekkäisyyksiä jäljittelevät malliluettelot eivät selittäneet näin läheisiä pareja helposti. Pienten etäisyyksien LRD-ryhmittyminen oli arviolta 20–30 kertaa voimakkaampaa kuin JWST:n aktiivisten galaksiytimien suuren mittakaavan korrelaatiosta ekstrapoloitu määrä. 8

Vihje mustien aukkojen nopeasta kasvusta

Jos molempien LRD-kohteiden keskellä todella on ainetta keräävä musta aukko, galaksien lähestyvä yhdistyminen voisi kasvattaa lopullisen mustan aukon massaa ja ohjata kaasua sen ympärille. Tämä voisi puolestaan kiihdyttää kertymistä entisestään.

Toistuvat sulautumiset yhdessä kaasun kertymisen kanssa tarjoavat yhden mahdollisen reitin erittäin massiivisten mustien aukkojen muodostumiselle aikana, jolloin alkuräjähdyksestä oli kulunut vasta suhteellisen vähän aikaa. LRD-kohteita pidetäänkin laajasti varhaisen supermassiivisten mustien aukkojen kasvuvaiheen ehdokkaina, vaikka niiden näennäisen nopean kasvun mekanismi on yhä ratkaisematta. 81

On kuitenkin tärkeää erottaa toisistaan mahdollinen galaksien ja mustien aukkojen sulautumisen esivaihe sekä jo varmistettu kaksoismusta aukko. Nyt havaitut kohteet ovat uskottavia kiloparsekin mittakaavan parikandidaatteja, eivät suora havainto viimeistä lähestymisvaihetta elävistä mustista aukoista tai niiden gravitaatioaalloista. Myös sulautumiseen kuluva aika on edelleen epäselvä. 81

Kaasu voi selittää osan ilmiöstä

Sulautumiset eivät välttämättä ole ainoa selitys LRD-kohteiden nopealle kasvulle. Yksi johtava vaihtoehto on poikkeuksellisen tehokas kaasun kertyminen mustiin aukkoihin.

Useissa malleissa LRD-kohteet ovat aktiivisia galaksiytimiä, jotka ovat paksun, optisesti tiheän kaasukuoren tai kaasukehän ympäröimiä. Tällainen rakenne voi tarjota mustalle aukolle runsaasti polttoainetta ja samalla muuttaa kohteen havaittavaa punaista spektriä. 32

Selitykset eivät sulje toisiaan pois. Tiheä kaasu voi ylläpitää nopeaa kertymistä ennen sulautumista, sen aikana ja sen jälkeen. Nykyinen näyttö ei vielä kerro, kuinka suuri osa varhaisten mustien aukkojen kasvusta johtui sulautumisista ja kuinka suuri osa suorasta kaasun kertymisestä. 83

Laajemmat JWST-aineistot ratkaisevat seuraavan kysymyksen

Kun pikselikohtaista menetelmää sovelletaan laajempiin ja syvempiin JWST-havaintoihin, tutkijat voivat määrittää tarkemmin, kuinka usein LRD-kohteilla on läheinen kumppani. Samalla voidaan selvittää, miten parien määrä muuttuu punasiirtymän ja kirkkauden mukaan ja ovatko sulautumiset riittävän yleisiä ollakseen merkittävä mustien aukkojen kasvukanava. 8

Tällaiset mittaukset auttaisivat arvioimaan varhaisten mustien aukkojen sulautumisnopeuksia ja massoja. Ne voisivat myös parantaa tulevien avaruuspohjaisten gravitaatioaaltoteleskooppien, kuten LISA:n ja ehdotettujen desihertsialueen ilmaisimien, kohdevalintoja ja tapahtumaennusteita. 5

Toistaiseksi tutkimus on siis vahva osoitus lähekkäisten Little Red Dot -parien ylimäärästä – ei vielä suora todiste sulautuvista mustista aukoista.