שלושה רמזים מ-JWST: כך ייתכן שחורים שחורים קדומים צמחו במהירות

טלסקופ החלל ג'יימס וב (JWST) חשף ביקום המוקדם מקורות זעירים ואדמדמים המכונים "נקודות אדומות קטנות" (Little Red Dots, או LRDs). חלקם עשויים להיות קשורים לחורים שחורים מסיביים שצוברים חומר במהירות. השפע שלהם וקצב הצמיחה המשתמע של החורים השחורים מאתגרים את התרחיש הפשוט שלפיו כל חור שחור מתחיל כשריד של כוכב רגיל ואז גדל בהדרגה.

שלושה כיווני מחקר מציעים תמונה גמישה יותר: ייתכן שחלק מהחורים השחורים התחילו מזרעים גדולים יותר; צברו מסה באמצעות אינטראקציות ומיזוגים; ולעיתים הוסתרו בתוך גז צפוף במקום להיראות כמו קוואזרים רגילים. אלה השערות משלימות, ולא פתרון יחיד ומוכח.

1. הילות חומר אפל מוקדמות עשויות ליצור זרעים כבדים יותר

ההצעה לחורים שחורים "לא ממש קדמוניים" נמצאת בין שני רעיונות מוכרים. היא אינה דורשת תנודות צפיפות קיצוניות מספיק כדי ליצור חורים שחורים קדמוניים מיד אחרי האינפלציה הקוסמית. במקום זאת, גם תנודות מוגברות אך מתונות יותר עשויות לגרום להילות של חומר אפל לקרוס מוקדם במיוחד. 33

בהילות שנוצרו לפני היסט לאדום של כ-200, קרינת הרקע הקוסמית במיקרוגל הייתה עשויה לדכא יצירה של מימן מולקולרי. ללא מסלול הקירור הזה, הגז הנופל אל ההילה עשוי שלא להתפצל לכוכבים כרגיל, אלא לקרוס ישירות לחור שחור. 33

היתרון ברור: אם חלק מהחורים השחורים נוצרים עוד לפני היווצרות הכוכבים הרגילה בהילות המארחות שלהם, הם עשויים להתחיל מוקדם יותר — ואולי גם במסה גדולה יותר — מזרעים שהם שרידי כוכבים. הדבר מפחית, אך אינו מבטל, את הצורך בצמיחה קיצונית בהמשך.

זהו עדיין מנגנון תיאורטי. חשיבותו לאוכלוסיית ה-LRDs שנצפתה תלויה בשאלה עד כמה התנאים הנדירים הללו היו שכיחים, והאם הצאצאים החזויים שלהם אכן תואמים את תצפיות JWST.

2. זוגות LRD קרובים עשויים להצביע על מסלול של מיזוגים

מחקר ניתוח תמונות נפרד של JWST זיהה ארבעה זוגות מועמדים שבהם שתי נקודות אדומות קטנות נמצאות קרוב במיוחד זו לזו, בתקופה שלפני כ-12.5 עד 12.8 מיליארד שנה. עבור שני זוגות, ספקטרוסקופיה מצאה היסטים לאדום כמעט זהים בין חברי הזוג — ממצא התומך בכך שהם היו קרובים פיזית, ולא רק מיושרים במקרה לאורך קו הראייה. 15

אם LRDs אכן מסמנות חורים שחורים שצוברים חומר באופן פעיל, מפגשים קרובים בין גלקסיות יכולים לסייע בשני אופנים:

• הזרמת גז: אינטראקציות כבידתיות יכולות לנתב גז למרכזי הגלקסיות ולספק דלק להצטברות על החור השחור.
• התאחדות עתידית: כאשר הגלקסיות המארחות מתמזגות, החורים השחורים המרכזיים עשויים ליצור זוג בינארי ולבסוף להתמזג, ובכך להוסיף מסה ישירות.

הפרשנות הזו מסקרנת, אך אינה תצפית ישירה במיזוגי חורים שחורים. מדובר בזוגות מועמדים של LRDs, ונדרשים נתונים ספקטרוסקופיים נוספים, אילוצים דינמיים ולבסוף עדויות מגלי כבידה כדי לקבוע אם שני חברי כל זוג אכן מכילים חורים שחורים מסיביים שצוברים חומר — ואם יתמזגו. לעת עתה, הממצא הוא ראיה לכך שסביבות צפופות ומפגשים קרובים עשויים היו להיות חשובים בעידן הצמיחה המוקדם הזה. 15

3. "כוכב חור שחור" עשוי להסתיר צמיחה מהירה בתוך גז

MoM-BH*-1 מציע רמז מסוג אחר: לא כיצד חור שחור מתחיל את דרכו או מצטרף לאחר, אלא כיצד הוא עשוי לגדול תוך שהוא נראה שונה מגרעין גלקטי פעיל רגיל.

הפרשנות המוצעת היא חור שחור הצובר חומר ומוקף במעטפת צפופה של מימן. MoM-BH*-1 נצפה בהיסט לאדום 7.7569, כשגיל היקום היה כ-660 מיליון שנה; לפי המודל, המעטפת משתרעת על פני כ-10 עד 100 יחידות אסטרונומיות — סדר גודל הדומה למערכת השמש. 2326

בתרחיש הזה, האנרגיה שמשתחררת כאשר חומר נופל לעבר החור השחור נספגת בגז שמסביב, מתפזרת ונפלטת מחדש. לכן הספקטרום המתקבל עשוי להיראות דמוי-כוכב, אף שמקור האנרגיה הוא הצטברות חומר על חור שחור. המודל קושר את המקור לחור שחור מרכזי שמסתו כ-100 אלף מסות שמש ולעוצמת הארה של כ-80 עד 100 מיליארד פעמים עוצמת ההארה של השמש. 2426

הדבר חשוב ל-LRDs משום שגז צפוף יכול גם להזין חור שחור וגם לשנות את האור שאסטרונומים רואים. לכן אוכלוסייה של חורים שחורים צוברים ומכוסי גז יכולה להיראות קומפקטית ואדומה, בשעה שהיא עוברת צמיחה מהירה. עם זאת, MoM-BH*-1 הוא עצם חריג והפירוש לו מבוסס על מודל; הוא אינו מוכיח שכל ה-LRDs הם "כוכבי חור שחור".

לא תיקון יחיד, אלא תהליך רב-שלבי

יחד, שלושת הרעיונות מתארים רצף אפשרי:

1. להתחיל מוקדם ובמסה גדולה: קריסה ישירה בהילות שנוצרו מוקדם באופן יוצא דופן עשויה ליצור זרעים עוד לפני היווצרות כוכבים רגילה.
2. להזין ביעילות: מעטפות גז צפופות עשויות להסתיר הצטברות חומר חזקה ובהירה.
3. לגדול באמצעות הרכבה: אינטראקציות בין גלקסיות ומיזוגי חורים שחורים עשויים להוסיף מסה ולעורר הזרמת גז נוספת.

אי-הוודאות המרכזית היא עד כמה כל אחד מהמסלולים רלוונטי לאוכלוסייה כולה. ייתכן שה-LRDs אינם קבוצה אחידה, והראיות הקיימות נעות בין מנגנון תיאורטי, דרך זוגות מועמדים, ועד פירוש של מקור יחיד ויוצא דופן. ובכל זאת, התמונה המשולבת מרחיבה את הדיון מעבר למסלול צמיחה יחיד ובלתי סביר: לחורים השחורים המסיביים הראשונים אולי היו כמה דרכים להיווצר, להיזון ולהתמזג ביקום הצעיר.