Slik kan JWSTs små røde prikker forklare sorte hulls raske vekst i det unge universet

JWSTs «små røde prikker» kan være tegn på en vekstsyklus for sorte hull i det tidlige universet, ikke nødvendigvis én helt ny type objekt. Tre nyere forskningsspor kan settes sammen til en mulig rekkefølge: Først dannes et stort frø før vanlige stjerner oppstår, så vokser det raskt inne i en ugjennomsiktig gasskokong, og i enkelte systemer kan galakseinteraksjoner og senere sammenslåinger gi ekstra fart på veksten.

Dette kan bidra til å løse et av de store spørsmålene fra universets tidlige fase: Hvordan kunne svært massive sorte hull oppstå så kort tid etter Big Bang? Det betyr likevel ikke at alle små røde prikker har samme forklaring. Flere konkurrerende tolkninger er fortsatt aktuelle.

1. Store frø før de første stjernene

Forslaget om «ikke-helt-primordiale» sorte hull beskriver en teoretisk mellomvei mellom sorte hull som skulle ha oppstått helt i universets første øyeblikk, og vanlige sorte hull som blir igjen etter døde stjerner. I dette scenariet samler relativt svake overtettheter av mørk materie gass svært tidlig. Den fortsatt varme kosmiske mikrobølgebakgrunnen kan da bidra til å hindre at gassen kjøles ned, deles opp og danner stjerner. I stedet kan gassen i prinsippet kollapse direkte til et sort hull før en vanlig stjernebefolkning er dannet. 19

Fordelen er tiden: Et sort hull som starter med forholdsvis stor masse, har mindre å ta igjen enn et frø som stammer fra én massiv stjerne. Men dette er en hypotese om dannelse, ikke en direkte påvisning av et frø fra tiden før stjernedannelse. Det er heller ikke vist at mekanismen forklarer hele bestanden av små røde prikker. 19

2. Nære par kan avsløre betydningen av interaksjoner

En studie fra COSMOS-Web identifiserte fire kandidatpar av små røde prikker, med projiserte avstander på 0,2–1,2 buesekunder. Analysen konkluderte med at fordelingen neppe bare skyldes tilfeldige overlagringer av objekter på ulike rødforskyvninger – altså på ulike avstander og tidsepoker. 40

For to av systemene finnes spalteløs spektroskopi. I hvert av parene ser forskerne en spektrallinje ved samme observerte bølgelengde, noe som støtter at komponentene faktisk ligger nær hverandre i det tidlige universet. 40

Dersom de kompakte kildene rommer aktivt voksende sorte hull, kan nære par være viktige på to måter:

• Galakseinteraksjoner kan forstyrre gass og lede den inn mot de sentrale sorte hullene.
• Senere sammenslåinger av galakser og deres sorte hull kan bygge opp masse trinnvis.

Tolkningen må imidlertid være betinget. To kilder som ser nære ut på himmelen, er ikke automatisk et gravitasjonelt bundet galaksepar. Og et fysisk par er ikke automatisk to sorte hull som vil smelte sammen. Observasjonene bør foreløpig ses som tegn på at tette omgivelser kan være viktige, ikke som en bekreftelse på sammenslåinger av sorte hull. 40

3. MoM-BH*-1 viser hvordan et voksende sort hull kan se stjernelignende ut

MoM-BH*-1 er et slående eksempel på hvorfor små røde prikker er vanskelige å klassifisere bare ut fra utseendet. Forskerne beskriver den mest sannsynlige forklaringen som en tett gassky drevet av et sentralt sort hull, snarere enn av vanlig kjernefusjon i stjerner. 1

I modellen som er rapportert, ligger et sort hull med omtrent 100 000 solmasser inne i en enorm hydrogengasskappe på størrelse med solsystemet. Gassen rundt omformer energien fra materie som faller inn mot det sorte hullet, slik at hele systemet får et stjernelignende preg – derav den uformelle betegnelsen «sort hull-stjerne». 1

Hvis tolkningen stemmer, demonstrerer den et viktig observasjonspoeng: Et sort hull som får tilført materie raskt og er innkapslet i usedvanlig tett gass, kan fremstå som en kompakt rød kilde i stedet for som en gjenkjennelig kvasar. MoM-BH*-1 kan derfor være én fysisk klasse innen den bredere gruppen små røde prikker, ikke en mal for dem alle. 1

Det samlede bildet: frø, vekst og sammenslåing

Sett under ett støtter studiene en flerlags forklaring på hvordan sorte hull kunne bygges raskt opp i det tidlige universet:

1. Frø: Sjeldne forhold kan ha dannet sorte hull før vanlig stjernedannelse og gitt dem et forsprang. 19
2. Vekst: Tett gass kan opprettholde eller skjule en fase med rask tilvekst, slik at et voksende sort hull ser ut som en rød, kompakt kilde som MoM-BH*-1. 1
3. Sammenslåing: Nære par og samvirkende vertsgalakser kan gi flere gassinnstrømninger og på sikt føre til sammenslåinger av sorte hull. 40

Denne modellen er mindre avhengig av at en enorm bestand av sorte hull ble dannet i universets aller første øyeblikk. Den krever likevel spesielle tidlige miljøer som både kan samle gass effektivt og begrense at gassen deles opp til vanlige stjerner.

Hva kan avgjøre spørsmålet?

De neste prøvene er observasjonelle. Spektroskopi kan avklare om flere par av små røde prikker virkelig er fysisk knyttet til hverandre, og om begge komponentene har trekk som passer med akkresjon – innfall av gass mot et sort hull. Større utvalg kan vise om nære følgesvenner er vanlige nok til at sammenslåinger er en viktig vekstrute. Mer detaljerte spektre kan dessuten skille modeller med tett gass rundt sorte hull fra alternativer som ekstreme stjerner eller svært kompakte galakser.

Den mest nøkterne konklusjonen foreløpig er at JWST kan se flere stadier av sorte hulls dannelse og vekst på én gang. Tunge frø, skjult akkresjon og interaksjoner er komplementære muligheter – ikke én bekreftet opphavshistorie for hver eneste lille røde prikk.