Drie JWST-aanwijzingen voor de razendsnelle groei van vroege zwarte gaten

De James Webb-ruimtetelescoop (JWST) heeft in het vroege heelal kleine, rode en compacte bronnen gevonden: de zogeheten little red dots (LRD's). Sommige daarvan zouden verband kunnen houden met zware zwarte gaten die snel materie opslokken. Hun grote aantal en schijnbaar hoge groeitempo zijn lastig te rijmen met een eenvoudig scenario waarin elk zwart gat begint als restant van een gewone ster en vervolgens gestaag groeit.

Drie recente onderzoekslijnen wijzen daarom op een breder beeld. Zwarte gaten kunnen met een zwaarder begin zijn gestart, extra massa hebben gekregen door interacties en samensmeltingen, en soms verborgen zijn geweest in dicht gas in plaats van zichtbaar te zijn als een klassieke quasar. Dit zijn aanvullende hypotheses, geen definitieve totaalverklaring.

1. Uitzonderlijk vroege halo's kunnen zwaardere zaden opleveren

Het idee van een „niet-helemaal-primordiaal” zwart gat ligt tussen twee bekende scenario's in. Het vereist niet dat de dichtheidsfluctuaties meteen na de inflatie zo groot waren dat er direct primaire zwarte gaten ontstonden. Bescheidener versterkte fluctuaties zouden al kunnen leiden tot de uitzonderlijk vroege instorting van halo's van donkere materie. 33

Voor halo's die vóór ongeveer roodverschuiving 200 ontstaan, zou de kosmische microgolfachtergrond de vorming van moleculaire waterstof onderdrukken. Zonder die belangrijke koelroute valt invallend gas mogelijk niet uiteen in gewone sterren, maar kan het rechtstreeks instorten tot een zwart gat. 33

Dat is aantrekkelijk omdat sommige zwarte gaten dan al vóór de normale stervorming in hun gastheerhalo kunnen ontstaan. Ze beginnen mogelijk eerder én zwaarder dan zwarte gaten die uit stellaire restanten voortkomen. Daarmee neemt de hoeveelheid uitzonderlijk snelle groei die later nodig is af, al verdwijnt het probleem niet volledig.

Vooralsnog is dit een theoretisch mechanisme. Of het echt relevant is voor de waargenomen LRD-populatie hangt af van de vraag hoe vaak zulke zeldzame omstandigheden voorkwamen en of de voorspelde nakomelingen bij de JWST-waarnemingen passen.

2. Nauwe LRD-paren kunnen een groeipad via samensmeltingen tonen

Een afzonderlijke analyse van JWST-beelden vond vier kandidaatparen waarin twee LRD's opvallend dicht bij elkaar staan, in een periode van ongeveer 12,5 tot 12,8 miljard jaar geleden. Voor twee paren bleek uit spectroscopie dat de leden vrijwel dezelfde roodverschuiving hebben. Dat ondersteunt de conclusie dat ze werkelijk dicht bij elkaar stonden, in plaats van toevallig in dezelfde gezichtslijn te liggen. 15

Als LRD's inderdaad actief groeiende zwarte gaten markeren, kunnen nauwe ontmoetingen tussen sterrenstelsels op twee manieren belangrijk zijn:

• Instroom van gas: zwaartekrachtsinteracties kunnen gas naar de centra van sterrenstelsels leiden en zo brandstof voor accretie leveren.
• Latere samensmelting: wanneer de gastheerstelsels samensmelten, kunnen hun centrale zwarte gaten een binair systeem vormen en uiteindelijk fuseren. Dat voegt rechtstreeks massa toe.

Dit is veelbelovend, maar nog geen directe waarneming van samensmeltende zwarte gaten. Het gaat om kandidaatparen van LRD's. Om vast te stellen of beide bronnen werkelijk zware, accreterende zwarte gaten bevatten — en of ze uiteindelijk fuseren — zijn meer spectroscopie, dynamische metingen en uiteindelijk bewijs via zwaartekrachtsgolven nodig. Voor nu wijzen de resultaten er vooral op dat zeer nauwe omgevingen belangrijk kunnen zijn geweest in deze vroege groeifase. 15

3. Een „zwartegatster” kan snelle groei in gas verbergen

MoM-BH*-1 biedt een andere aanwijzing. Deze mogelijke verklaring gaat niet over het ontstaan van een zwart gat of over een fusie, maar over de manier waarop een zwart gat kan groeien zonder eruit te zien als een standaard actieve galactische kern.

De voorgestelde interpretatie is een accreterend zwart gat in een dichte waterstofomhulling. MoM-BH*-1 is waargenomen bij roodverschuiving 7,7569, toen het heelal ongeveer 660 miljoen jaar oud was. De gemodelleerde omhulling heeft een omvang van circa 10 tot 100 astronomische eenheden, vergelijkbaar met de schaal van ons zonnestelsel. 2326

In dit model wordt energie die vrijkomt doordat materie naar het zwarte gat valt door het omringende gas geabsorbeerd, verstrooid en opnieuw uitgezonden. Daardoor kan het object een sterachtig spectrum krijgen, terwijl accretie de werkelijke energiebron is. Het model koppelt de bron aan een centraal zwart gat van ongeveer 100.000 zonsmassa's, met een lichtkracht van grofweg 80 tot 100 miljard zonnen. 2426

Dat is relevant voor LRD's, omdat dicht gas een zwart gat tegelijk kan voeden én het waargenomen licht sterk kan veranderen. Een populatie van zulke gasomhulde accretoren zou dus compact en rood kunnen lijken, terwijl de zwarte gaten razendsnel groeien. Maar MoM-BH*-1 is een uitzonderlijk object en deze duiding is gebaseerd op modellering; het bewijst niet dat alle LRD's zwartegatsterren zijn.

Geen enkele oplossing, maar een mogelijke groeiketen

Samen vormen de drie ideeën een plausibele reeks van processen:

1. Vroeg en zwaar beginnen: directe instorting in ongewoon vroege halo's kan zaden opleveren voordat normale sterren ontstaan.
2. Efficiënt voeden: dichte gasomhullingen kunnen heldere, snelle accretie aan het oog onttrekken.
3. Massa opbouwen door assemblage: interacties tussen sterrenstelsels en samensmeltingen van zwarte gaten kunnen massa toevoegen en nieuwe gasinstroom aanjagen.

De grote vraag is hoe algemeen deze processen waren. LRD's vormen mogelijk geen uniforme klasse, en de huidige aanwijzingen lopen uiteen van theorie tot kandidaatparen en de interpretatie van één ongewoon object. Toch maakt het gezamenlijke beeld één ding duidelijk: de eerste zware zwarte gaten hoefden waarschijnlijk niet allemaal via één onwaarschijnlijk groeipad te ontstaan. Ze kunnen meerdere manieren hebben gehad om te beginnen, te eten en samen te smelten in het jonge heelal.