Webbs «små røde prikker» kan være unge kjempe-svarte hull

De såkalte «små røde prikkene» – på engelsk little red dots eller LRD-er – er noen av de mest gåtefulle objektene James Webb-romteleskopet har sett i det unge universet. De er uvanlig kompakte, røde og lyssterke i infrarødt lys. Den sterkeste samlede tolkningen nå er at mange av dem er korte, tidlige faser i veksten til massive eller supermassive svarte hull, gjemt i en ekstremt tett kokong av ionisert gass. Det er likevel en tolkning på populasjonsnivå, ikke en endelig fasit for hver eneste prikk. 28

Spektrene endrer anslagene for massen

Tidlige analyser tok de brede hydrogenlinjene i lyset fra LRD-ene som et tegn på gass som farer rundt et svart hull i svært høy hastighet. Det ville bety enorme svarte hull, tilsynelatende altfor massive sammenlignet med de små galaksene rundt dem.

Mer detaljerte Webb-spektra gir et annet bilde. I mange av de best undersøkte objektene ser mye av linjebredden ut til å komme av at lyset blir spredt av elektroner i en Compton-tykk gasskokong – altså et lag med så stor elektrontetthet at strålingen påvirkes kraftig på vei ut. En smalere, indre linjekjerne kan bedre gjenspeile den faktiske gassbevegelsen nær det svarte hullet. 78

Konsekvensen er betydelig: Når elektronspredningen tas med i regnestykket, blir de anslåtte massene typisk rundt to størrelsesordener, eller omtrent en faktor 100, lavere. Det gjør LRD-ene mer forenlige med unge, raskt voksende supermassive svarte hull enn med uforklarlig overmassive kjemper. 78

Gasskokongen kan forklare både fargen og «manglende» stråling

Gassen rundt den sentrale motoren må være svært kompakt, på skalaer av få lysdager, og ha en svært høy elektronsøyle-tetthet. 7 Den kan absorbere eller spre ultraviolet lys og røntgenstråling, før energien kommer ut igjen ved lengre, infrarøde bølgelengder.

Det gir en naturlig forklaring på to av LRD-enes særtrekk: De ser røde ut, og flere er svake eller usynlige i vanlige røntgen- og optiske søk, samtidig som de kommer tydelig fram i Webbs infrarøde observasjoner. 2716

De ser ut til å ha små vertsgalakser

LRD-ene er trolig ikke «nakne» svarte hull. I en analyse der forskere la sammen Webb-bilder av 217 LRD-er fra COSMOS-Web-undersøkelsen, ble det påvist svakt, utstrakt lys rundt de punktformige kjernene. 1215

Ved en rødforskyvning på omtrent 6,5 – som tilsvarer et univers bare relativt kort tid etter Big Bang – var den typiske utstrakte komponenten omtrent 200 parsec på tvers. Det er forenlig med svært kompakte, stjernedannende vertsgalakser. 1215

Dette støtter et bilde der et aktivt voksende svart hull sitter i sentrum av en liten galakse under oppbygging. Det er mulig at veksten av det svarte hullet i en kort periode kommer før, eller går raskere enn, oppbyggingen av galaksens stjerner. 312

Ett objekt gir særlig sterk støtte til «svart hull-stjerne»-ideen

Det mest slående enkelttilfellet er GLIMPSE-17775. Det dype Webb-spekteret av objektet inneholder over 40 spektrallinjer og flere uavhengige trekk som passer med et raskt voksende svart hull omsluttet av varm, tett og delvis ionisert gass. 12

Forskerne omtaler modellen som en «black hole star», eller svart hull-stjerne. Det betyr ikke at et svart hull bokstavelig talt har blitt en vanlig stjerne. Betegnelsen beskriver i stedet et svart hull med en lyssterk, stjernelignende gasshylse rundt seg, som bearbeider lyset fra området nær det svarte hullet. 12

Det er viktig å skille mellom dette sterke beviset for ett objekt og hele LRD-populasjonen: Det er foreløpig ikke vist at alle små røde prikker går gjennom den samme fasen.

Tidlig univers kan ha gitt svarte hull en vekstfordel

Nye simuleringer peker på at de tette og turbulente gass-strømmene i det tidlige universet kunne føre materiale effektivt inn mot sentrale svarte hull. Dermed kunne de vokse i et tempo som ville være vanskelig å oppnå under forholdene i dagens univers. 1521

Dette betyr at man ikke nødvendigvis trenger eksotisk fysikk for å forklare LRD-lignende objekter. En annen fortsatt plausibel vei er såkalte tunge frø: store, ur-gasskyer av hydrogen og helium som kollapser raskt og danner massive svarte hull tidlig. Dette kalles ofte direkte kollaps. 9

Kan de forme galaksene sine?

Hvis de sentrale svarte hullene virkelig samler opp materie så voldsomt som dataene antyder, kan stråling, vinder og senere gassutstrømmer varme opp eller drive bort gass. Det kan i sin tur regulere stjernedannelsen og bidra til å etablere sammenhengen mellom svarte hull og galakser som astronomene ser i det senere universet.

Dette er foreløpig en teoretisk forventning. Stablingsanalysen viser kompakte vertsgalakser, men har ennå ikke gitt en direkte påvisning av slik tilbakekobling fra enkeltvise LRD-er. 1215

Det som fortsatt ikke er avklart

En mer eksotisk forklaring er kvasi-stjerner: hypotetiske objekter der et svart hull samler opp stoff inne i en massiv gasskappe, for eksempel etter at en supermassiv stjerne har kollapset. Modellen er foreslått som forklaring på LRD-er, men er fortsatt teori og ikke en bekreftet dannelseshistorie. 56

Samtidig kan mer konvensjonell rask oppsamling av gass på både tunge og lettere frø forklare mye av fenomenet. Og elektronspredningsforklaringen må fortsatt testes objekt for objekt; LRD-ene kan vise seg å være en blandet gruppe, ikke én ensartet klasse med samme opphav. 711

Kort sagt ser de små røde prikkene stadig mer ut som raskt voksende svarte hull, skjult av tett gass og plassert i bittesmå galakser i vekst. De store åpne spørsmålene er hvordan de første «frøene» ble dannet, hvor vanlig svart hull-stjerne-fasen er, og hvor mye gasskokongen og innsynsvinkelen avgjør hva Webb faktisk kan se.