ATERUI III en JWST werpen nieuw licht op de ‘Little Red Dots’

De zogeheten Little Red Dots (LRD’s) zijn piepkleine, opvallend rode lichtbronnen die de James Webb Space Telescope (JWST) in het jonge heelal heeft gezien. Twee recente onderzoeken leveren verschillende, maar goed op elkaar aansluitende stukken van de puzzel. Simulaties op de Japanse supercomputer ATERUI III laten zien hoe uitzonderlijk zware zwarte gaten snel kunnen ontstaan en groeien. JWST-spectroscopie toont intussen hoe zo’n groeiend zwart gat, diep verborgen in gas, eruit zou kunnen zien. 513

Dat bewijst niet dat alle LRD’s hetzelfde soort object zijn. Samen schetsen de studies wel een toetsbaar scenario voor een vroege fase in de vorming van superzware zwarte gaten.

Twee studies, twee kanten van dezelfde vraag

Het simulatieonderzoek onder leiding van Sunmyon Chon behandelt vooral de vraag: hoe kan een zwart gat zo vroeg in de kosmische geschiedenis al zo zwaar worden? In dichte gebieden waar toekomstige clusters van sterrenstelsels ontstaan, vinden de simulaties een pad naar zware kiemen en daarna zeer snelle gasaanwas. 5

Het JWST-onderzoek van Rohan Naidu begint bij de waarneming: wat is zo’n extreem rode, compacte bron eigenlijk? Voor het object MoM-BH*-1 is het voorkeursmodel een zwart gat dat materie opslokt binnen een uitzonderlijk dichte, waterstofrijke gasomhulling. Het licht dat uiteindelijk ontsnapt, lijkt daardoor meer op dat van een rode steratmosfeer dan op dat van een openlijk zichtbaar actief zwart gat. 110

Kort gezegd: de simulaties bieden een mechanisme voor ontstaan en groei; JWST laat zien hoe een verborgen groeifase er mogelijk aan de hemel uitziet.

Eerst: geen gewone sterren, maar een zware kiem

In Chons simulaties bestralen nabije jonge sterrenstelsels gaswolken met sterke ver-ultraviolette straling. Die remt de moleculaire afkoeling van het gas. Normaal gesproken helpt afkoeling een instortende gaswolk om uiteen te vallen in veel kleinere klonten, waaruit gewone sterren ontstaan. Als die fragmentatie wordt onderdrukt, kan de wolk veel samenhangender ineenstorten. 5

Volgens de resultaten kunnen zo supermassieve sterren ontstaan met ongeveer 500.000 tot 900.000 keer de massa van de zon. Die bestaan maar kort en storten vervolgens in tot zware zwarte-gatkiemen, in plaats van de veel lichtere restanten die normale zware sterren nalaten. 5

Zo’n zware start maakt veel verschil. Een kiem van bijna een miljoen zonsmassa’s heeft veel minder tijd nodig om uit te groeien tot de miljoenen- of miljarden-zonsmassa-zwarte gaten die al in het jonge heelal worden afgeleid. Daarmee wordt een oud tijdsprobleem kleiner: hoe konden zulke zware zwarte gaten zo snel na de oerknal verschijnen? 5

Daarna: snelle groei in een dikke gasschijf

Na de vorming van de kiem blijft het zwarte gat ingebed in een dichte, optisch dikke schijf van gas. Straling die vlak bij het zwarte gat ontstaat, kan daar niet gemakkelijk rechtstreeks ontsnappen. Daardoor werkt de gebruikelijke rem op de gasinstroom — de druk van uitgaande straling — minder sterk. 5

Onder die omstandigheden kan het gesimuleerde zwarte gat materie opslokken met snelheden die tientallen keren boven de standaard Eddington-limiet liggen. Het team van Chon beschrijft zo een route naar een zwart gat van ongeveer 30 miljoen zonsmassa’s, rond 600 miljoen jaar na de oerknal. 5

De kern van deze uitleg is dat er geen onbekende natuurkunde nodig is. Het scenario steunt op zwaartekracht, gasdynamica, stralingsfeedback en de buitengewoon dichte omstandigheden die de kosmologische simulatie in het vroege heelal oplevert. 5

Waarom dit ook het grote aantal Little Red Dots kan verklaren

LRD’s zijn geen losstaande rariteiten. Hun grote aantal betekent dat een goede verklaring niet alleen één uitzonderlijk geval moet beschrijven, maar een hele populatie. Juist daarom is het ATERUI III-resultaat interessant: de benodigde ingrediënten — overvolle gebieden, sterke straling van naburige sterrenstelsels, veel beschikbaar gas en een verborgen accretiefase — komen in de simulatie op natuurlijke wijze samen in vroege proto-clusteromgevingen. 5

Het model voorspelt bovendien signalen die relevant zijn voor waarnemingen. Dicht, optisch dik materiaal rond een snel groeiende kiem kan het ontsnappende licht ingrijpend veranderen en eigenschappen opleveren die aan LRD’s doen denken, waaronder brede H-alfa-emissie in het simulatiekader. 5

Dat sluit aan bij ander spectroscopisch onderzoek, waarin veel LRD’s worden beschreven als jonge, relatief lichte superzware zwarte gaten die ongeveer op de Eddington-snelheid accreteren, omhuld door dikke cocons van geïoniseerd gas. 3

Waarom een zwart gat op een rode ster kan lijken

Naidu en collega’s onderzochten met JWST het opvallende object MoM-BH*-1. Het is compact en extreem rood, heeft een diepe Balmer-sprong, vertoont weinig aanwijzingen voor elementen zwaarder dan waterstof en helium, en is helderder dan gewone kernfusie in sterren gemakkelijk kan verklaren. 1

Hun model geeft de voorkeur aan een accreterend zwart gat van ongeveer 100.000 zonsmassa’s, opgesloten in een extreem dichte waterstofcocon ter grootte van ruwweg ons zonnestelsel. Dat gas werkt als een soort schijnbaar steroppervlak: het absorbeert en verwerkt de energie van de accretie, waardoor het object rood en sterachtig oogt, ook al wordt het aangedreven door een zwart gat. 110

De term ‘black hole star’, oftewel zwartgatster, betekent dus niet dat het om een gewone ster gaat of dat het een nieuwe naam voor een zwart gat is. Het gaat om een voorgesteld samengesteld object: een groeiend zwart gat dat verscholen zit in een optisch dikke gasatmosfeer. 110

Wat dit toevoegt aan het eerdere beeld van LRD’s

Al eerder maakte JWST duidelijk dat verhulde accretie een serieuze verklaring is voor compacte rode bronnen. Een studie in Nature beschrijft LRD’s als intrinsiek smalle-lijn-actieve galactische kernen: jonge superzware zwarte gaten met relatief lage massa, die gas aantrekken terwijl ze verborgen blijven in een dikke gascocon. 3

De nieuwe studies maken het beeld concreter:

• De simulaties laten een mogelijke route zien waarlangs zware zwarte-gatkiemen kunnen ontstaan en snel genoeg gevoed worden. 5
• De JWST-kandidaat voor een zwartgatster toont hoe dicht gas — mogelijk met zeer weinig stof — een accreterend zwart gat rood en sterachtig kan laten lijken. 110

Dat onderscheid is belangrijk. Een rode kleur betekent niet automatisch dat een sterrenstelsel vol stof zit en veel sterren vormt. In sommige modellen komen de rode kleur en absorptiekenmerken juist voort uit extreem dicht gas rond het zwarte gat. 10

Wat nog onzeker is

De aanwijzingen zijn veelbelovend, maar de conclusie moet voorzichtig blijven. Naidu’s studie levert vooral een sterk direct geval voor één uitzonderlijk object; zij bewijst niet dat alle LRD’s zwartgatsterren zijn. Chons simulaties tonen dat deze vormingsroute mogelijk is, maar vormen geen volledige telling van de waargenomen populatie. 51

LRD’s vormen waarschijnlijk geen volledig uniforme groep. Sommige kunnen worden gedomineerd door accreterende zwarte gaten in geïoniseerde gascocons, terwijl bij andere bronnen het gaststerrenstelsel, stof of compacte stervorming een grotere rol speelt. Over de precieze aard van de populatie bestaat nog steeds wetenschappelijk debat. 34

De voorlopig sterkste lezing is daarom deze: JWST ziet mogelijk een deel van de eerste zwarte gaten tijdens een korte, door gas verhulde groeifase — een fase die hun snelle opbouw versnelt en ze tegelijk vermomt als kleine rode lichtpuntjes.