JWSTs kleine rode stippen kunnen het snelle groeipad van oerzwarte gaten tonen

De ‘kleine rode stippen’ van de James Webb Space Telescope (JWST) zijn mogelijk geen enkel nieuw soort hemellichaam, maar momentopnamen van verschillende fases in de vroege groei van zwarte gaten. Drie recente onderzoekslijnen passen in een aannemelijke volgorde: eerst ontstaat een relatief zwaar zwart gat nog vóór normale sterrenvorming, vervolgens groeit het snel binnen een ondoorzichtige cocon van gas, en in sommige gevallen kan de groei versnellen door nauwe ontmoetingen en latere fusies van sterrenstelsels.

Dat zou een hardnekkig raadsel uit de kosmische dageraad kunnen verlichten: hoe konden zeer zware zwarte gaten zo kort na de oerknal al bestaan? Het betekent nadrukkelijk niet dat elke kleine rode stip dezelfde oorsprong heeft. Er zijn nog meerdere concurrerende verklaringen.

1. Zware zaden nog vóór de eerste sterren

De hypothese van ‘niet-helemaal-primaire’ zwarte gaten beschrijft een theoretische middenweg tussen zwarte gaten die in de allereerste ogenblikken van het heelal zouden zijn gevormd en gewone zwarte gaten die ontstaan wanneer sterren sterven. In dit scenario verzamelen relatief milde overdichtheden van donkere materie al zeer vroeg gas. De toen nog hete kosmische microgolfachtergrondstraling kan voorkomen dat dit gas afkoelt en uiteenvalt in sterren. Daardoor zou het gas rechtstreeks kunnen instorten tot een zwart gat, nog vóór zich een gewone sterrenpopulatie vormt. 19

Het voordeel is vooral tijdwinst. Een zwart gat dat met een relatief grote massa begint, hoeft minder groei in te halen dan een zaad dat uit één zware ster is voortgekomen. Maar dit is een vormingshypothese, geen directe waarneming van een zaad vóór stervorming. Ook is nog niet aangetoond dat dit mechanisme de bredere populatie van kleine rode stippen verklaart. 19

2. Dubbele rode stippen als aanwijzing voor interacties

Een analyse van de COSMOS-Web-survey vond vier kandidaatparen van kleine rode stippen, met geprojecteerde onderlinge afstanden van 0,2 tot 1,2 boogseconde. Volgens de analyse is het onwaarschijnlijk dat die verdeling uitsluitend het gevolg is van toevallige projecties van niet-verwante objecten op verschillende roodverschuivingen. 40

Voor twee systemen is spleetloze spectroscopie beschikbaar. In elk paar is een spectraallijn op dezelfde waargenomen golflengte te zien, wat ondersteunt dat de twee onderdelen in het vroege heelal werkelijk dicht bij elkaar staan. 40 Als zulke compacte bronnen actief groeiende zwarte gaten bevatten, kunnen nauwe paren op twee manieren van belang zijn:

• interacties tussen sterrenstelsels kunnen gas verstoren en naar de centrale zwarte gaten leiden;
• latere fusies van sterrenstelsels en hun zwarte gaten kunnen massa stapsgewijs toevoegen.

Die uitleg blijft voorwaardelijk. Bronnen die aan de hemel dicht bij elkaar lijken te staan, vormen niet automatisch een gebonden paar sterrenstelsels. En een fysiek verbonden paar mondt niet automatisch uit in een fusie van zwarte gaten. De waarnemingen zijn vooral aanwijzingen dat een nabije omgeving belangrijk kan zijn, geen bevestiging dat zwarte gaten al bezig zijn samen te smelten. 40

3. MoM-BH*-1 laat zien waarom een groeiend zwart gat sterachtig kan lijken

MoM-BH*-1 is een opvallend voorbeeld van waarom kleine rode stippen op basis van hun uiterlijk alleen lastig te classificeren zijn. Onderzoekers beschrijven de bron het waarschijnlijkst als een dichte gaswolk die energie krijgt van een centraal zwart gat, en niet van de gebruikelijke kernfusie in sterren. 1

In het voorgestelde model zit een zwart gat van ongeveer 100.000 zonsmassa's in een enorme waterstofmantel, ongeveer zo groot als ons zonnestelsel. Het omringende gas verwerkt de energie van het invallende materiaal rond het zwarte gat opnieuw en geeft het systeem zo een sterachtig uiterlijk. Vandaar de informele term ‘zwartegatster’. 1

Als deze interpretatie klopt, maakt zij een belangrijk waarnemingspunt duidelijk: een zwart gat dat snel materiaal opslokt en in uitzonderlijk dicht gas is ingebed, kan verschijnen als een compacte rode bron in plaats van als een vertrouwde quasar. MoM-BH*-1 kan dus één natuurkundige klasse binnen de bredere populatie kleine rode stippen vertegenwoordigen, niet het standaardmodel voor elk afzonderlijk object. 1

Het gezamenlijke beeld: zaaien, voeden en fuseren

Samen ondersteunen de studies een gelaagde verklaring voor de snelle opbouw van vroege zwarte gaten:

1. Zaaien: zeldzame omstandigheden kunnen zwarte gaten vóór gewone stervorming opleveren en ze zo een voorsprong geven. 19
2. Voeden: dicht gas kan een fase van snelle accretie — het invallen van materie — mogelijk maken of aan het zicht onttrekken. Daardoor kan een groeiend zwart gat eruitzien als een compacte rode bron, zoals MoM-BH*-1. 1
3. Fuseren: nauwe paren en wisselwerkende gastelsels kunnen extra gasinstroom veroorzaken en uiteindelijk kansen scheppen voor fusies van zwarte gaten. 40

Dit beeld leunt minder zwaar op het idee dat er in de eerste momenten van het heelal al een enorme populatie zwarte gaten is ontstaan. Het vereist nog steeds uitzonderlijke vroege omgevingen: gebieden die gas efficiënt verzamelen en tegelijk voorkomen dat het al te snel versnippert tot gewone sterren.

Wat kan uitsluitsel geven?

De volgende tests zijn waarnemingen. Met spectroscopie kan worden vastgesteld of meer paren van kleine rode stippen echt fysiek bij elkaar horen en of beide onderdelen kenmerken van accretie vertonen. Grotere steekproeven kunnen uitwijzen of nabije begeleiders vaak genoeg voorkomen om fusies tot een belangrijke groeiroute te maken. Gedetailleerdere spectra kunnen ook onderscheid maken tussen modellen met dichte gasomhulsels rond zwarte gaten en alternatieven met extreme sterren of compacte sterrenstelsels.

Voorlopig is de meest bruikbare conclusie bescheiden: JWST ziet mogelijk meerdere fases van de vorming en groei van vroege zwarte gaten tegelijk. Zware zaden, verborgen accretie en interacties zijn elkaar aanvullende mogelijkheden — nog geen bewezen oorsprongsverhaal voor alle kleine rode stippen.