Tre JWST-spor kan forklare hvordan tidlige sorte hull vokste så raskt

JWST har avdekket kompakte, røde kilder i det tidlige universet, kjent som «little red dots» (LRD-er). Noen av dem kan være knyttet til massive sorte hull som trekker til seg materie og vokser raskt. Både antallet og de tilsynelatende vekstratene er vanskelige å forene med en enkel modell der alle sorte hull starter som rester etter vanlige stjerner og deretter vokser jevnt.

Tre nyere forskningsspor peker mot et mer sammensatt svar: Sorte hull kan ha startet med større frø, fått masse gjennom vekselvirkninger og sammenslåinger, og i noen tilfeller vært skjult inne i tett gass i stedet for å fremstå som vanlige kvasarer. Dette er utfyllende hypoteser, ikke én endelig løsning.

1. Svært tidlige haloer kan ha dannet tyngre frø

Forslaget om «ikke-helt-primordiale» sorte hull ligger mellom to mer kjente ideer. Det krever ikke tetthetssvingninger som er store nok til å danne primordiale sorte hull umiddelbart etter inflasjonen. I stedet kan mer moderate, forsterkede svingninger føre til at haloer av mørk materie kollapser usedvanlig tidlig. 33

For haloer som dannes før omtrent rødforskyvning 200, kan den kosmiske mikrobølgebakgrunnen hemme dannelsen av molekylært hydrogen. Uten denne kjølemekanismen kan innfallende gass unngå den vanlige oppdelingen i stjerner og i stedet kollapse direkte til et sort hull. 33

Styrken ved ideen er enkel: Dersom noen sorte hull oppstår før vanlig stjernedannelse i vertshaloene sine, kan de få et tidligere og potensielt mer massivt utgangspunkt enn frø fra stjernerester. Det reduserer, men fjerner ikke, behovet for ekstrem vekst senere for å forklare massive sorte hull i det unge universet.

Dette er fortsatt en teoretisk mekanisme. Betydningen for den observerte LRD-populasjonen avhenger av hvor ofte disse sjeldne tidlige forholdene oppsto, og om de forutsagte etterkommerne faktisk stemmer med JWST-observasjonene.

2. Nære LRD-par kan vise en sammenslåingskanal

En separat studie av JWST-bilder fant fire kandidatpar der to LRD-er ligger uvanlig nær hverandre, i en periode for rundt 12,5–12,8 milliarder år siden. Spektroskopi av to av parene viste nesten identiske rødforskyvninger for objektene i hvert par. Det støtter at de faktisk befant seg nær hverandre, og ikke bare lå på samme siktlinje sett fra Jorden. 15

Dersom LRD-er sporer aktivt voksende sorte hull, kan nære møter mellom galakser ha betydning på to måter:

• Gassinnstrømning: Gravitasjonelle vekselvirkninger kan lede gass inn mot galaksesentrene og gi drivstoff til akkresjon.
• Senere sammenslåing: Når vertsgalaksene smelter sammen, kan de sentrale sorte hullene danne binære systemer og til slutt slå seg sammen. Det tilfører masse direkte.

Tolkningen er lovende, men er ikke en direkte observasjon av sammenslåinger mellom sorte hull. Kildene er kandidatpar av LRD-er, og det kreves mer spektroskopi, dynamiske begrensninger og til slutt observasjoner av gravitasjonsbølger for å avgjøre om begge objektene rommer massive, akkreterende sorte hull – og om de faktisk vil smelte sammen. Foreløpig bør funnet først og fremst ses som et tegn på at tette nærmiljøer kan ha vært viktige i denne tidlige vekstfasen. 15

3. En «sort hull-stjerne» kan skjule rask vekst i gass

MoM-BH*-1 peker i en annen retning: ikke hvordan et sort hull oppstår eller møter et annet, men hvordan det kan vokse uten å ligne en vanlig aktiv galaksekjerne.

Den foreslåtte tolkningen er et akkreterende sort hull innhyllet i en tett hydrogenkappe. MoM-BH*-1 observeres ved rødforskyvning 7,7569, da universet var rundt 660 millioner år gammelt. Den modellerte gasskappen strekker seg omtrent 10–100 astronomiske enheter, altså på skala med et solsystem. 2326

I dette bildet blir energien som frigjøres når materie faller mot det sorte hullet, absorbert, spredt og sendt ut på nytt av gassen rundt. Resultatet kan få et stjernelignende spektrum, selv om energikilden i bunn er akkresjon. Modellen knytter objektet til et sentralt sort hull på rundt 100 000 solmasser og en lysstyrke på om lag 80–100 milliarder ganger Solens. 2426

Dette er relevant for LRD-er fordi tett gass både kan mate et sort hull og endre lyset astronomene observerer. En populasjon av gassinnhyllede akkreterende sorte hull kan derfor fremstå kompakt og rød samtidig som den vokser intenst. Men MoM-BH*-1 er et eksepsjonelt objekt og en modellbasert tolkning; det viser ikke at alle LRD-er er sorte hull-stjerner.

En flertrinnsforklaring – ikke én enkel løsning

Samlet kan de tre ideene beskrive et mulig vekstforløp:

1. Start tidlig og tungt: Direkte kollaps i uvanlig tidlige haloer kan skape frø før vanlige stjerner dannes.
2. Få effektiv tilgang på gass: Tette gasshylstre kan skjule lyssterk og rask akkresjon.
3. Bygg masse gjennom sammensetning: Vekselvirkninger mellom galakser og sammenslåinger av sorte hull kan både tilføre masse og utløse videre gassinnstrømning.

Det store spørsmålet er hvor relevant dette er for hele populasjonen. LRD-er er ikke nødvendigvis én ensartet klasse, og bevisgrunnlaget spenner fra teori via kandidatpar til tolkningen av ett uvanlig objekt. Likevel flytter kombinasjonen av spor spørsmålet bort fra én usannsynlig vekstvei: De første massive sorte hullene kan ha hatt flere måter å dannes, næres og smelte sammen på i universets ungdom.