Små röda prickar kan avslöja en trestegsväg till universums första jättesvarta hål

JWST:s så kallade små röda prickar kan vara tecken på en tillväxtcykel för svarta hål i det tidiga universum, snarare än en enda ny sorts himmelsobjekt. Tre färska forskningsspår går att förena till en möjlig följd: först skapas ett stort frö innan vanliga stjärnor har bildats, sedan matas det svarta hålet snabbt i en ogenomskinlig gaskokong och i vissa system kan galaxmöten och senare sammanslagningar öka tillväxten ytterligare.

Det skulle kunna lätta på en av kosmologins stora gåtor: hur mycket massiva svarta hål kunde uppstå så kort tid efter Big Bang. Men det betyder inte att alla små röda prickar har samma ursprung. Det finns fortfarande flera konkurrerande tolkningar.

1. Tunga frön före de första stjärnorna

Förslaget om ”inte riktigt ursprungliga” svarta hål beskriver ett teoretiskt mellanting mellan svarta hål som skulle ha skapats i universums allra första ögonblick och vanliga svarta hål som lämnas kvar när stjärnor dör. I scenariot samlar relativt måttliga överdensiteter av mörk materia ihop gas mycket tidigt. Den då varma kosmiska mikrovågsbakgrunden kan hindra gasen från att kylas ned och delas upp i stjärnor, så att gasen i stället kollapsar direkt till ett svart hål innan en vanlig stjärnpopulation hinner bildas. 19

Den stora fördelen är tiden. Ett svart hål som börjar med en relativt hög massa har betydligt mindre att ta igen än ett frö från en enskild massiv stjärna. Men detta är en hypotes om bildandet, inte en direkt observation av ett frö från tiden före stjärnorna. Det är också oklart hur väl mekanismen förklarar hela populationen av små röda prickar. 19

2. Täta par kan peka på en tillväxtväg via interaktioner

En studie inom COSMOS-Web har identifierat fyra kandidatpar av små röda prickar, med projicerade avstånd på 0,2 till 1,2 bågsekunder. Analysen visar att fördelningen sannolikt inte bara beror på slumpmässiga överlagringar av orelaterade objekt på olika avstånd. 40

För två av systemen finns spaltlös spektroskopi, där båda medlemmarna i respektive par har en spektrallinje vid samma observerade våglängd. Det stärker bilden av att komponenterna verkligen ligger nära varandra i det tidiga universum. 40

Om de kompakta källorna hyser aktivt växande svarta hål kan närheten spela roll på två sätt:

• galaxinteraktioner kan störa gasen och leda den in mot de centrala svarta hålen;
• senare sammanslagningar av galaxer och deras svarta hål kan bygga massa stegvis.

Slutsatsen måste dock vara försiktig. Två källor som ligger nära varandra på himlen är inte automatiskt ett gravitationellt bundet galaxpar, och ett fysiskt par är inte automatiskt på väg mot en sammanslagning av svarta hål. Observationerna är framför allt belägg för att täta miljöer kan vara viktiga, inte ett bevis för sammansmälta svarta hål. 40

3. MoM-BH*-1 visar hur ett växande svart hål kan se ut som en stjärna

MoM-BH*-1 är ett slående exempel på varför små röda prickar är svåra att klassificera enbart utifrån sitt utseende. Forskarna beskriver den mest sannolika förklaringen som ett mycket tätt gasmoln som får sin energi från ett centralt svart hål, inte från vanlig kärnfusion i stjärnor. 1

I den presenterade modellen finns ett svart hål med en massa på omkring 100 000 solar i ett enormt vätehölje, ungefär lika stort som solsystemet. Gasen runt det matande svarta hålet omvandlar energin och får systemet att se stjärnlikt ut – därav den informella benämningen ”svart hål-stjärna”. 1

Om tolkningen stämmer visar den en viktig observationspoäng: ett svart hål som växer snabbt och är inbäddat i exceptionellt tät gas kan framträda som en kompakt röd källa, snarare än som en välbekant kvasar. MoM-BH*-1 kan alltså vara en fysisk klass inom den bredare gruppen små röda prickar, inte en mall för samtliga objekt. 1

Helhetsbilden: frö, tillväxt och sammanslagning

Tillsammans ger studierna stöd för en flerskiktad förklaring till hur svarta hål kunde byggas upp snabbt i det tidiga universum:

1. Frö: Sällsynta förhållanden kan ha skapat svarta hål före vanlig stjärnbildning och därmed gett dem ett försprång. 19
2. Tillväxt: Tät gas kan både driva och dölja en fas av snabb ackretion, så att ett växande svart hål framstår som en röd, kompakt källa som MoM-BH*-1. 1
3. Sammanslagning: Täta par och interagerande värdgalaxer kan skapa fler tillfällen för gasinflöden och på sikt sammanslagningar av svarta hål. 40

En sådan bild är mindre beroende av att enorma mängder svarta hål skapades i universums första ögonblick. Däremot kräver den fortfarande ovanliga tidiga miljöer som både effektivt samlar gas och begränsar gasens uppdelning i vanliga stjärnor.

Vad kan avgöra frågan?

Nästa steg är observationer. Spektroskopi kan visa om fler par av små röda prickar verkligen är fysiskt kopplade och om båda komponenterna har tecken på ackretion. Större urval kan avslöja om nära följeslagare är vanliga nog för att sammanslagningar ska vara en betydande tillväxtväg. Mer detaljerade spektra kan också skilja modeller med tätt gasinbäddade svarta hål från alternativ med extrema stjärnor eller mycket kompakta galaxer.

Den mest rimliga slutsatsen just nu är därför återhållsam: JWST kan samtidigt se flera stadier av de tidiga svarta hålens bildande och tillväxt. Tunga frön, dold ackretion och interaktioner är kompletterande möjligheter – inte en enda bekräftad ursprungsberättelse för varje liten röd prick.