Teleskop Webba dostrzegł cztery pary „małych czerwonych kropek” we wczesnym Wszechświecie

Astronomowie znaleźli cztery kandydackie pary tak zwanych „małych czerwonych kropek” (ang. Little Red Dots, LRD) — zwartych i bardzo czerwonych źródeł z wczesnego Wszechświata, które mogą oznaczać etap szybkiego wzrostu czarnych dziur. Kluczową rolę odegrała analiza barw podczerwonych prowadzona piksel po pikselu. Dzięki niej badacze mogli rozdzielić sąsiadujące czerwone jądra, które przy standardowych kryteriach dla zwartych źródeł mogłyby zostać przeoczone lub potraktowane jako jeden obiekt. 81

Wynik sugeruje, że we wczesnym Wszechświecie istniała zaskakująco liczna populacja kandydatów na pary czarnych dziur oddzielonych od siebie zaledwie o kilka kiloparseków. Trzeba jednak podkreślić, że natura samych LRD wciąż jest przedmiotem debaty.

Skąd wiadomo, że pary sąsiadują ze sobą fizycznie?

• Cztery kandydackie układy znajdują się w odległości zaledwie 0,2–1,2 sekundy łuku na obrazach z przeglądu COSMOS-Web. Analiza na poziomie pojedynczych pikseli, połączona z mniej restrykcyjnymi wymaganiami dotyczącymi zwartości obiektów, umożliwiła wykrycie takich bliskich lub częściowo zlewających się konfiguracji. 8

• W przypadku dwóch par bezszczelinowe widma JWST/COSMOS-3D pokazały u obu składników każdej pary linię emisyjną przy tej samej obserwowanej długości fali. Jeśli szerokie linie o dużej szerokości równoważnej zinterpretować jako H-alfa, odpowiada to wspólnym przesunięciom ku czerwieni wynoszącym odpowiednio 5,822 i 5,464. Wspiera to hipotezę, że składniki są fizycznie związane, a nie tylko przypadkowo leżą na tej samej linii widzenia. 8

• Na podstawie tych przesunięć ku czerwieni obliczono, że rzuty odległości między składnikami wynoszą 1,64 i 7,36 kiloparseka — około 5300 i 24 000 lat świetlnych. Światło z tych układów pochodzi z epoki sprzed mniej więcej 12,5–12,8 miliarda lat. 8

• Porównanie z katalogami symulowanych obiektów wykazało, że przypadkowe projekcje wzdłuż linii widzenia nie wyjaśniają łatwo tak małych odległości. Wnioskowane skupienie LRD w małej skali jest około 20–30 razy większe niż wartość przewidywana przez ekstrapolację wielkoskalowych korelacji aktywnych jąder galaktyk obserwowanych przez JWST. 8

To oznacza, że układy są wiarygodnymi prekursorami przyszłych połączeń galaktyk i czarnych dziur. Nie jest to jednak bezpośrednie potwierdzenie istnienia czarnych dziur już znajdujących się w końcowej fazie spiralnego zbliżania. Zarówno identyfikacja LRD jako aktywnie rosnących czarnych dziur, jak i czas ewentualnego połączenia wymagają dalszych obserwacji. 81

Dlaczego odkrycie jest ważne?

Jeśli oba składniki danej pary zawierają akreujące czarne dziury, połączenie może zwiększyć masę obiektu końcowego, a jednocześnie skierować gaz w stronę układu i zasilić kolejne etapy szybkiej akrecji. Powtarzające się połączenia oraz dopływ materii mogłyby pomóc wyjaśnić, jak w stosunkowo krótkim czasie po Wielkim Wybuchu powstały bardzo masywne czarne dziury. 8

To istotne, ponieważ „małe czerwone kropki” są szeroko uznawane za kandydatów na obiekty związane z wczesnym etapem wzrostu supermasywnych czarnych dziur, ale mechanizm ich pozornie szybkiego rozwoju wciąż nie jest rozstrzygnięty. 81

Zderzenia nie są jedynym możliwym wyjaśnieniem

Alternatywą — lub procesem uzupełniającym — może być długotrwała, wyjątkowo szybka akrecja gazu, bez konieczności uznawania zderzeń za główny mechanizm wzrostu. Część modeli i analiz spektroskopowych sugeruje, że LRD mogą być aktywnymi jądrami galaktyk ukrytymi w gęstych, optycznie grubych otoczkach gazowych. Taka „kokonowa” struktura mogłaby jednocześnie dostarczać paliwa i zmieniać obserwowane, czerwone widmo. 32

Oba scenariusze nie muszą się wzajemnie wykluczać. Gęsty gaz może sprzyjać wysokim tempom akrecji przed zderzeniem, w jego trakcie i po nim. Obecne dane nie pozwalają jeszcze określić, jaka część wczesnego wzrostu czarnych dziur wynikała z połączeń, a jaka z samego dopływu materii. 83

Co pokażą większe przeglądy JWST?

Zastosowanie analizy piksel po pikselu do szerszych i głębszych przeglądów teleskopu Webba powinno pozwolić dokładniej zmierzyć częstość występowania bliskich par oraz ich korelacje. Badacze będą mogli sprawdzić, jak często LRD mają bliskiego towarzysza, jak zmienia się to z przesunięciem ku czerwieni i jasnością oraz czy połączenia są wystarczająco częste, by stanowić ważny kanał wzrostu czarnych dziur. 8

Takie pomiary mogą przełożyć się na lepsze szacunki częstości zderzeń i mas wczesnych układów podwójnych czarnych dziur. Pomogą też wskazać cele oraz przygotować prognozy dla przyszłych kosmicznych obserwatoriów fal grawitacyjnych, takich jak LISA, a także dla proponowanych detektorów pracujących w zakresie decyhercowym. 5

Na tym etapie badanie stanowi mocny dowód na nadmiar bliskich par „małych czerwonych kropek”, ale nie jest bezpośrednim wykryciem zderzających się czarnych dziur ani emitowanych przez nie fal grawitacyjnych. 8