MoM-BH*-1: det tidiga universums möjliga ”svarta hålstjärna”

MoM-BH*-1 är ett ovanligt kompakt och extremt ljusstarkt objekt från universums första miljard år. James Webb-teleskopet upptäckte det i undersökningen Mirage or Miracle, och vi ser objektet som det såg ut omkring 660 miljoner år efter Big Bang. Astronomer tror inte att det rör sig om en vanlig stjärna. Den ledande tolkningen är i stället ett snabbt växande svart hål, omgivet av ett tätt, stjärnliknande hölje av gas.

Namnet ”svart hålstjärna” beskriver hur objektet kan se ut och fungera – inte ett bekräftat svart hål som ligger inuti en vanlig stjärna. Slutsatsen bygger på observationer av ljusstyrka, färg och spektrum, jämförda med fysikaliska modeller.

Därför liknar MoM-BH*-1 inte en vanlig stjärna

Vanliga stjärnor får sin energi från kärnfusion i sina inre delar. MoM-BH*-1 strålar däremot med en energimängd som ligger långt över vad en fusionsdriven stjärna rimligen kan producera. Uppskattningar beskriver objektet som omkring 100 miljarder gånger mer energirikt än någon känd stjärna. Det pekar i stället mot gravitationsenergi som frigörs när materia faller mot ett svart hål.

Spektrumet innehåller dessutom ett ovanligt djupt Balmerbrott, breda och komplexa väteemissionslinjer samt starka absorptionslinjer från väte. Det finns få tecken på grundämnen tyngre än väte och helium. Sammantaget tyder egenskaperna på en extremt tät, turbulent och relativt ursprunglig gasmiljö – snarare än det obehindrade spektrumet från en normal stjärna eller en välkänd aktiv galaxkärna.

Så kan den möjliga ”svarta hålstjärnan” vara uppbyggd

I den föreslagna modellen slukar ett svart hål på omkring 100 000 solmassor snabbt omgivande materia. När gasen faller in frigörs gravitationsenergi som värmer upp det täta höljet runt hålet. Höljet fungerar då som en stjärnliknande ”pseudofotosfär” och får hela systemet att se ut som ett kompakt, lysande rött objekt – trots att den centrala energikällan är ansamling av materia, inte kärnfusion.

Modeller som kombinerar ett aktivt svart hål med ett tätt vätehölje återskapar MoM-BH*-1:s ljusstyrka och färg bättre än en enkel stjärnförklaring, enligt den tillgängliga rapporteringen om studien. Gasmiljön tros sträcka sig över ungefär solsystemets skala, även om den exakta strukturen beror på vilken modell som används.

Den röda färgen kan också uppstå genom gas snarare än stoft. Strålning från det centrala svarta hålet kan absorberas, spridas och sändas ut på nytt av materialet runtomkring. Det förskjuter det ljus som till slut slipper ut mot längre, rödare våglängder.

Kan detta förklara James Webbs ”små röda prickar”?

James Webb-teleskopet har hittat många små, röda och ljusstarka källor i det tidiga universum. De kallas ofta ”little red dots”, eller ”små röda prickar”. Deras kompakta utseende och ovanliga spektrum har gjort det svårt att fastställa vad de egentligen är. MoM-BH*-1 är särskilt intressant eftersom strålningen från det möjliga svarta hålet kan dominera över ljuset från värdgalaxen. Det gör den underliggande mekanismen lättare att studera.

Om samma typ av gasinkapslad ansamling av materia sker i mindre isolerade system kan många svagare små röda prickar vara liknande objekt inbäddade i unga galaxer. De skulle i så fall inte utgöra en enda vanlig population av stjärnor, utan snabbt växande svarta hål vars täta gashöljen får dem att se stjärnlika ut i infrarött ljus.

Det kan också ge ledtrådar till hur mycket massiva svarta hål kunde bildas så tidigt i kosmisk historia. Ett tätt gashölje kan i teorin göra det möjligt för ett frö till svart hål att växa snabbt. MoM-BH*-1 visar dock inte ensamt hela vägen från ett sådant frö till de supermassiva svarta hål som senare blev miljarder gånger tyngre än solen.

Varför syns kanske inga röntgenstrålar?

Ett relativt obehindrat aktivt svart hål förväntas producera kraftig högenergistrålning. Ett tjockt hölje av gas förändrar däremot vad som kan ta sig ut. Röntgenstrålar som bildas nära det svarta hålet kan absorberas eller spridas upprepade gånger inne i höljet. En del av energin kan då omvandlas till strålning med lägre energi, bland annat ultraviolett och infrarött ljus.

Det ger en möjlig förklaring till att MoM-BH*-1 och liknande små röda prickar kan vara tydliga i James Webbs infraröda observationer men svaga eller helt osynliga i röntgen. Det är dock en tolkning som stämmer med modeller av inkapslade svarta hål – inte en direkt mätning som visar att varje saknad röntgenfoton har omvandlats på just detta sätt.

Därför är ”svart hålstjärna” ännu ingen bekräftad klassificering

Påståendet bygger på indirekta bevis. James Webb har mätt ljuset från objektet, men har inte fotograferat ett svart hål inuti ett gashölje. Det nuvarande spektret innehåller inte heller en enda unik egenskap som definitivt utesluter alla alternativa förklaringar.

Andra möjligheter – exempelvis kombinationer av en kompakt galax, ovanlig gas, stoft, stjärnpopulationer och dold aktivitet från ett svart hål – måste fortfarande prövas mot observationerna. Bevisen gör modellen med en svart hålstjärna till en stark kandidat, men ”bästa förklaring” är inte samma sak som en slutgiltig identifiering.

Fler observationer med James Webb kan leta efter förutsagda spektrala egenskaper, begränsa gasens täthet och sammansättning, mäta objektets storlek mer exakt och söka efter variationer i ljusstyrkan. Forskarna kan också jämföra MoM-BH*-1 med ett större urval av små röda prickar. Det avgör om objektet är ett sällsynt övergångsstadium eller ett exempel på en större population av gasinkapslade svarta hål vid den kosmiska gryningen.

Slutsatsen

MoM-BH*-1 kan bäst beskrivas som en kandidat till en svart hålstjärna: ett snabbt växande svart hål på omkring 100 000 solmassor, omgivet av ett tätt vätehölje som får hela systemet att lysa som en jättelik röd stjärna. Den extrema ljusstyrkan och de ovanliga Balmer-egenskaperna talar för tolkningen, medan samma gashölje kan förklara den röda färgen och den svaga röntgensignalen. Men än så länge handlar det om en modellbaserad slutsats – inte om en bekräftad ny klass av himlakroppar.