MoM-BH*-1 kan være et svart hull forkledd som en stjerne

MoM-BH*-1 er en usedvanlig lyssterk og kompakt kilde fra universets første milliard år. James Webb-romteleskopet (JWST) oppdaget objektet i undersøkelsen «Mirage or Miracle», og lyset vi ser, ble sendt ut da universet var rundt 660 millioner år gammelt. Astronomer tror ikke dette er en vanlig stjerne. Den ledende forklaringen er at et raskt voksende svart hull ligger omgitt av en tett, stjernelignende konvolutt av gass.

Kallenavnet «svart hull-stjerne» beskriver hvordan objektet kan se ut og oppføre seg. Det betyr ikke at et bekreftet svart hull er fotografert inne i en konvensjonell stjerne. Tolkningen bygger på JWSTs målinger av lysstyrke, farge og spektrum, sammenholdt med fysiske modeller.

Hvorfor MoM-BH*-1 ikke ligner en vanlig stjerne

Vanlige stjerner får energien sin fra kjernefysisk fusjon i den indre delen. MoM-BH*-1 ser derimot ut til å avgi langt mer energi enn en fysisk mulig fusjonsdrevet stjerne kan produsere. Estimater beskriver objektet som omtrent 100 milliarder ganger mer energirikt enn noen kjent stjerne. Det peker mot gravitasjonsenergi som frigjøres når stoff faller inn mot et svart hull.

Spekteret er også svært spesielt. Det viser et uvanlig dypt Balmer-brudd, brede og komplekse hydrogenlinjer samt sterke absorpsjonslinjer i Balmer-serien. Det er få tegn til grunnstoffer tyngre enn hydrogen og helium. Til sammen peker dette mot et ekstremt tett, turbulent og relativt uberørt gassmiljø – ikke mot lyset fra en vanlig stjerne eller en typisk aktiv galaksekjerne.

Slik ser den ledende modellen ut

I modellen mater et svart hull på rundt 100 000 solmasser seg raskt med gass fra omgivelsene. Når gassen faller innover, frigjøres gravitasjonsenergi som varmer opp den tette gasskappen rundt hullet. Kappen fungerer som en stjernelignende «pseudofotosfære» og får hele systemet til å se ut som et kompakt, lyssterkt rødt objekt – selv om energikilden er oppsamling av stoff, ikke fusjon.

Modeller som kombinerer et voksende svart hull med en tett hydrogenkappe, gjengir ifølge tilgjengelige beskrivelser av studien lysstyrken og fargen bedre enn en enkel forklaring basert på en stjerne. Gassen kan strekke seg over omtrent skalaen til solsystemet, selv om den nøyaktige strukturen avhenger av hvilken modell man bruker.

Den røde fargen kan dessuten skyldes gass, ikke støv. Stråling fra det sentrale sorte hullet kan absorberes, spres og sendes ut på nytt av materialet rundt. Da forskyves lyset som slipper ut, mot lengre og rødere bølgelengder.

Kan forklare James Webbs «små røde prikker»

JWST har funnet mange små, røde og lyssterke kilder i det tidlige universet. De omtales ofte som «little red dots», eller «små røde prikker». Den kompakte formen og de uvanlige spektrene har gjort det vanskelig å fastslå hva de egentlig er. MoM-BH*-1 er spesielt interessant fordi strålingen fra det mulige svarte hullet kan dominere over lyset fra vertsgalaksen. Det gjør den underliggende mekanismen enklere å undersøke.

Hvis den samme typen gassinnhyllet oppsamling forekommer i mindre isolerte systemer, kan mange svakere «små røde prikker» være lignende objekter inne i unge galakser. I så fall er prikkene ikke nødvendigvis en enkelt gruppe vanlige stjerner. De kan være raskt voksende svarte hull omgitt av tette gasskapp­er som får dem til å se stjernelignende ut i infrarøde observasjoner.

Dette er også relevant for spørsmålet om hvordan svært massive svarte hull kunne oppstå så tidlig i universets historie. En tett gasskappe kan ha gjort det mulig for et frø av et svart hull å vokse raskt. MoM-BH*-1 viser likevel ikke alene hele utviklingshistorien til de supermassive svarte hullene vi ser senere i universet.

Hvorfor objektet kan mangle synlige røntgenstråler

Et nakent eller lite tilslørt svart hull som trekker til seg stoff, forventes å sende ut kraftig høyenergetisk stråling. En tykk gasskappe kan endre dette bildet. Røntgenstråler som dannes nær det svarte hullet, kan bli absorbert eller spredt mange ganger inne i kappen. Noe av energien kan dermed omfordeles til stråling med lavere energi, blant annet i ultrafiolett og infrarødt lys.

Det kan forklare hvorfor MoM-BH*-1 og lignende «små røde prikker» er tydelige i JWSTs infrarøde observasjoner, samtidig som de er svake eller ikke kan påvises i røntgen. Dette er en tolkning som passer med modeller for innhyllede svarte hull – ikke en direkte måling som viser at hvert manglende røntgenfot on er omdannet på denne måten.

Derfor er «svart hull-stjerne» fortsatt ikke bekreftet

Påstanden bygger på indirekte bevis. JWST har målt lyset fra objektet, men har ikke tatt et direkte bilde av et svart hull inne i en gasskappe. Det nåværende spekteret inneholder heller ikke ett enkelt kjennetegn som entydig utelukker alle alternative forklaringer.

Andre muligheter må fortsatt testes mot observasjonene. Det kan for eksempel dreie seg om kombinasjoner av en kompakt galakse, uvanlig gass, støv, stjernepopulasjoner og tilslørt aktivitet fra et svart hull. Bevisene gjør modellen med en «svart hull-stjerne» til en sterk kandidat, men «beste forklaring» er ikke det samme som sikker identifikasjon.

Flere observasjoner med JWST kan lete etter spektrale kjennetegn modellen forutsier, fastslå tetthet og sammensetning i gassen, måle størrelsen mer presist og undersøke om lysstyrken varierer. Astronomer kan også sammenligne MoM-BH*-1 med et større utvalg av «små røde prikker». Slik kan de finne ut om objektet er et sjeldent overgangsstadium, eller et eksempel på en større bestand av gassinnhyllede svarte hull ved kosmisk daggry.

Kort fortalt

MoM-BH*-1 forstås best som en kandidat til å være en «svart hull-stjerne»: et svart hull på rundt 100 000 solmasser som raskt trekker til seg stoff, omgitt av en tett hydrogenkappe som får systemet til å skinne som en enorm rød stjerne. Den ekstreme lysstyrken og de uvanlige Balmer-trekkene støtter denne forklaringen, mens gasskappen også kan forklare den røde fargen og det svake røntgensignalet. Men foreløpig er dette en modellbasert slutning – ikke en bekreftet ny klasse himmellegemer.