James Webb werpt nieuw licht op raadselachtige ‘little red dots’

De meest aannemelijke verklaring is dat veel zogeheten little red dots (LRD’s) een korte, vroege groeifase van zware zwarte gaten laten zien. Het gaat dan om compacte, zeer heldere kernen die zijn ingebed in extreem dicht, geïoniseerd gas — niet simpelweg om gewone, al volwassen sterrenstelsels. Dat is een verklaring voor de populatie als geheel, geen definitief oordeel over elk afzonderlijk rood stipje. 28

Spectra veranderen het beeld van hun massa

Aanvankelijk werden de brede waterstofemissielijnen in LRD-spectra uitgelegd als het gevolg van gas dat razendsnel rond een zwart gat draait. Daaruit volgden uitzonderlijk grote schattingen voor de massa van de zwarte gaten.

Nauwkeuriger Webb-spectra wijzen er echter op dat bij veel LRD’s elektronenverstrooiing in een Compton-dikke gasmantel een groot deel van die brede lijnvorm veroorzaakt. Een smallere, intrinsieke kern in de lijnen geeft beter weer hoe het gas werkelijk beweegt. Daardoor vallen de afgeleide massa’s sterk lager uit: met ongeveer een factor honderd. De objecten passen dan beter bij jonge, snel groeiende kandidaten voor superzware zwarte gaten dan bij onwaarschijnlijk zware zwarte gaten in een heel jong heelal. 78

Een compacte, verstikkende gascocon

Die gasmantel staat centraal in de huidige interpretatie. Volgens de spectrale analyses is zij zeer compact, op een schaal van enkele lichtdagen, en bevat zij een uitzonderlijk grote kolom aan vrije elektronen. De cocon kan ultraviolet- en röntgenstraling absorberen of verstrooien en de energie opnieuw uitstralen als infraroodlicht. Dat helpt zowel de rode kleur van de bronnen te verklaren als waarom Webb ze in infrarood kan vinden terwijl ze in gebruikelijke optische of röntgenwaarnemingen zwak of afwezig zijn. 2716

Geen ‘naakte’ zwarte gaten: er lijken kleine gaststelsels te zijn

LRD’s bevinden zich waarschijnlijk niet geïsoleerd in de ruimte. Door Webb-beelden van 217 LRD’s uit de COSMOS-Web-survey op elkaar te stapelen, vonden onderzoekers zwak, uitgestrekt licht rond de puntvormige centrale bronnen. Bij een roodverschuiving van ongeveer 6,5 heeft die component doorgaans een afmeting van circa 200 parsec, oftewel ongeveer 650 lichtjaar. Dat is in lijn met uiterst compacte, sterrenvormende gaststelsels. 1215

Dit ondersteunt het scenario waarin een aangroeiend zwart gat in een klein, zich vormend sterrenstelsel zit. Mogelijk loopt de groei van het zwarte gat tijdelijk voor op de opbouw van de sterrenpopulatie in zijn gaststelsel. 312

Het opvallende geval van de ‘zwartegatster’

Voor één object is het bewijs bijzonder sterk. Het diepe Webb-spectrum van GLIMPSE-17775 bevat meer dan veertig spectraallijnen en meerdere onafhankelijke aanwijzingen voor een snel aangroeiend zwart gat in heet, dicht en deels geïoniseerd gas. Onderzoekers noemen dit scenario een black hole star, ofwel een zwartegatster. 12

Die naam betekent niet dat een zwart gat letterlijk een gewone ster is geworden. Het gaat om een zwart gat met een heldere, sterachtige gasomhulling die het licht uit de directe omgeving van het zwarte gat bewerkt voordat het ons bereikt.

Hoe konden ze zo snel ontstaan?

Recente kosmologische simulaties laten zien dat de extreem dichte en turbulente gasstromen in het vroege heelal materie veel sneller naar het centrum konden voeren dan onder de huidige kosmische omstandigheden mogelijk zou zijn. Zo kunnen zwarte gaten snel groeien zonder dat daarvoor exotische fysica nodig is. 21

Een andere plausibele route blijft die van zogeheten zware zaden: grote, oeroude wolken van waterstof en helium die rechtstreeks en snel instorten tot een zwart gat. Zo’n direct-collapse-scenario geeft de groei een flinke voorsprong. 9

Wat nog openligt

Een quasar-achtige ‘quasi-ster’ — een hypothetisch object waarin een zwart gat materie opslokt vanuit een massieve omhulling nadat een supermassieve ster is ingestort — is voorgesteld als verklaring voor LRD’s. Vooralsnog is dit een theoretisch model, geen bevestigde ontstaansgeschiedenis. 56

Ook wordt de verklaring met elektronenverstrooiing nog per object getoetst. LRD’s kunnen dus een gemengde populatie vormen, in plaats van één enkele klasse met één oorsprong. 711

Als de centrale zwarte gaten inderdaad zo krachtig materie opslokken als wordt afgeleid, zouden hun straling, winden en latere uitstroom gas kunnen verhitten of verdrijven. Dat kan stervorming afremmen en bijdragen aan de latere relatie tussen zwarte gaten en hun sterrenstelsels. Dit is vooralsnog een theoretische verwachting: de stapelanalyse toont compacte gaststelsels aan, maar nog geen directe terugkoppeling van afzonderlijke LRD’s. 1215

Kortom: de aanwijzingen stapelen zich op dat veel little red dots door gas omhulde, snel groeiende zwarte gaten zijn in piepkleine jonge sterrenstelsels. De grote resterende vragen zijn hoe hun eerste ‘zaden’ zijn gevormd, hoe algemeen de zwartegatsterfase is en in hoeverre de gasomhulling en onze kijkrichting bepalen wat Webb precies waarneemt.