Slik kan JWSTs «små røde prikker» avsløre svarte hull i rekordfart

JWST har funnet en rekke kompakte, uvanlig røde lyskilder i det tidlige universet. De kalles ofte Little Red Dots – «små røde prikker». To nye studier gir hver sin del av en mulig forklaring: Den ene simulerer hvordan svært massive svarte hull kan oppstå og vokse fort, mens den andre viser hvordan et slikt voksende sort hull kan se ut når det er gjemt i en tett gasskappe. 513

Dette er ikke et bevis på at alle små røde prikker er samme type objekt. Men resultatene skisserer en testbar forklaring på hvordan noen av dem kan være tidlige stadier i dannelsen av supermassive svarte hull.

To studier, to deler av samme mysterium

Arbeidet ledet av Sunmyon Chon bruker kosmologiske simuleringer på den japanske superdatamaskinen ATERUI III. Spørsmålet er grunnleggende: Hvordan kunne svarte hull bli så enorme så kort tid etter Big Bang? Simuleringene følger svært tette miljøer som kan ha eksistert i tidlige protohoper av galakser, og finner en mulig vei til både tunge frø og ekstremt rask vekst. 5

Rohan Naidus JWST-baserte studie begynner i den andre enden: Hva er en særlig ekstrem, kompakt og rød lyskilde? For objektet MoM-BH*-1 passer modellen best med et sort hull som samler opp gass inne i en svært tett, hydrogenrik gasshylse. Lyset som slipper ut, får da et spekter som minner mer om en rød stjerneatmosfære enn om en klassisk, eksponert aktiv galaksekjerne. 110

Kort sagt: Simuleringene tilbyr en mekanisme for dannelse og vekst. JWST-observasjonen viser hvordan en dypt begravd vekstfase kan fremstå på himmelen.

Først: Stans vanlig stjernedannelse og lag et tungt frø

I Chons simuleringer belyses gasskyer av intens fjern-ultrafiolett stråling fra nærliggende unge galakser. Strålingen hemmer molekylær avkjøling. Vanligvis gjør avkjøling at en kollapsende gassky deles opp i mange mindre klumper, som etter hvert kan danne vanlige stjerner. Når denne oppdelingen svekkes, kan skyen i stedet kollapse langt mer samlet. 5

Resultatet i simuleringene er supermassive stjerner med masser på omtrent 500 000 til 900 000 ganger Solens masse. De lever kort og kollapser deretter til svært massive frø for svarte hull, i stedet for å etterlate de mye mindre restene man forventer etter vanlige stjerners død. 5

Et så tungt utgangspunkt er avgjørende. Et frø på nær én million solmasser trenger langt mindre tid for å nå massene som utledes for aktive, tidlige svarte hull enn et frø dannet av en ordinær massiv stjerne. Dermed blir det lettere å forstå hvordan svarte hull på millioner eller milliarder solmasser kunne oppstå mens universet fortsatt var svært ungt. 5

Deretter: Vekst i en tykk skive som holder på strålingen

Frødannelsen er ikke slutten på prosessen. Det sorte hullet blir liggende i en tett gasskive som er optisk tykk – stråling fra området nær det sorte hullet kommer ikke lett ut. Dette endrer det vanlige problemet med tilbakekobling, der utgående strålingstrykk kan bremse eller stanse tilførselen av gass. 5

Under slike forhold i det tidlige universet kan det simulerte sorte hullet samle masse med hastigheter som er flere titalls ganger høyere enn den vanlige Eddington-grensen. Chons gruppe rapporterer en utviklingsvei til et sort hull på rundt 30 millioner solmasser omtrent 600 millioner år etter Big Bang. 5

Poenget er ikke at kjent fysikk må forkastes. Den foreslåtte mekanismen bygger på gravitasjon, gassdynamikk, strålingspåvirkning og spesielt tette miljøer som oppstår naturlig i den kosmologiske simuleringen. 5

Hvorfor dette kan forklare at prikkene er så tallrike

De små røde prikkene er ikke bare enkelttilfeller. Det store antallet betyr at forklaringen må kunne gjelde en populasjon, ikke bare en sjelden og finjustert hendelse. ATERUI III-resultatet er interessant nettopp fordi de avgjørende ingrediensene – overdense områder, sterk stråling fra nabogalakser, rikelig med gass og en skjult akkresjonsfase – oppstår i simulerte protohopmiljøer. 5

Modellen gir også observerbare kjennetegn. Tett, optisk tykt materiale rundt et raskt voksende sort hull kan endre lyset som slipper ut og gi egenskaper som ligner dem JWST ser hos små røde prikker, blant annet brede H-alfa-emisjonslinjer i simuleringsrammeverket. 5

Dette stemmer med bredere spektroskopisk arbeid som foreslår at mange små røde prikker kan være unge, relativt lavmassen supermassive svarte hull. De samler opp masse nær Eddington-grensen og ligger inne i tykke kokonger av ionisert gass. 3

Hvordan et sort hull kan se ut som en rød stjerne

Naidus gruppe brukte JWST til å undersøke MoM-BH*-1, et spesielt slående eksempel. Kilden er kompakt og svært rød, med et markant Balmer-brudd, lite tegn til grunnstoffer tyngre enn hydrogen og helium, og en lysstyrke som stjernefusjon alene ikke lett kan forklare. 1

Den foretrukne modellen har et akkretterende sort hull på omtrent 100 000 solmasser, omsluttet av en ekstremt tett hydrogengass-kokong på omtrent solsystemskala. Gassen virker som en slags pseudo-fotosfære: Den absorberer og omformer energien fra akkresjonen. Derfor kan objektet ligne en rød stjerne, selv om energikilden er gass som faller mot et sort hull. 110

Det er dette forskerne mener med betegnelsen «black hole star», eller «sort-hull-stjerne». Det er ikke en vanlig stjerne, og heller ikke bare et nytt navn på et sort hull. Det er et foreslått sammensatt objekt: et voksende sort hull skjult i en optisk tykk, gassformet atmosfære. 110

Rødt lys betyr ikke nødvendigvis støv

Tidligere JWST-arbeid hadde allerede gjort skjult akkresjon til en seriøs forklaring på de kompakte røde kildene. En Nature-studie beskriver små røde prikker som aktive galaksekjerner med smale linjer, med unge supermassive svarte hull med lav masse som er begravd i tykke gasskokonger. 3

De nyere studiene gjør bildet mer konkret på to måter:

• Simuleringene viser én mulig vei til svært massive sorte-hull-frø som kan mates raskt nok til å bli tidlige svarte hull. 5
• JWST-kandidaten for en sort-hull-stjerne viser hvordan tett gass – muligens med lite støv – kan få et akkretterende sort hull til å fremstå rødt og stjernelignende. 110

Dette skillet er viktig: Rød farge betyr ikke automatisk en støvete, stjernedannende galakse. I enkelte modeller kan rødfargingen og absorpsjonstrekkene i stedet oppstå i ekstremt tett gass rundt det sorte hullet. 10

Mye gjenstår å avklare

Funnene er lovende, men konklusjonen må formuleres forsiktig. Naidus studie gir sitt sterkeste direkte bevis for ett ekstraordinært objekt; den viser ikke at alle små røde prikker er sort-hull-stjerner. Chons studie demonstrerer en mulig kosmologisk vekstvei, men en mulig vei er ikke det samme som en full kartlegging av hele den observerte populasjonen. 51

Små røde prikker er sannsynligvis ikke én ensartet gruppe. Noen kan domineres av akkretterende svarte hull i ioniserte gasskokonger, mens andre kan ha betydelige bidrag fra vertsgalaksen, støv eller kompakt stjernedannelse. Faglitteraturen diskuterer fortsatt hva som fysisk kjennetegner hele populasjonen. 34

Det framvoksende bildet er likevel spennende: JWST kan være i ferd med å fange noen tidlige svarte hull i en kort, gassinnhyllet vekstfase – en fase som både får dem til å vokse raskt og kamuflerer dem som små røde lyspunkter.