Webb hittar fyra par av mystiska röda punkter i det unga universum

James Webb-teleskopet har gett astronomer en ny blick på några av det unga universums mest förbryllande objekt. Genom att analysera infraröda färger pixel för pixel har forskare hittat fyra kandidatpar av så kallade ”Little Red Dots” (LRD) – små, ovanligt röda ljuskällor som ofta tolkas som tecken på unga svarta hål med mycket snabb tillväxt, även om deras exakta natur fortfarande diskuteras.17

Det handlar inte om en direkt observation av två svarta hål som kolliderar. I stället har studien upptäckt ett oväntat överskott av mycket täta LRD-par. Sådana system kan vara ett tidigt skede i sammansmältningen av galaxer och deras centrala svarta hål. För två av de fyra paren finns dessutom spektroskopiska belägg för att medlemmarna befinner sig på samma kosmiska avstånd, vilket gör en slumpmässig synlinjeprojektion betydligt mindre sannolik.2021

En analys som hittar det som annars flyter ihop

Vid traditionella sökningar klassificeras kompakta objekt ofta utifrån deras totala ljusstyrka, form eller färg. Två närliggande röda källor kan då smälta samman till ett enda objekt i bilden. Den nya metoden undersöker i stället de infraröda färgerna pixel för pixel. På så sätt kan forskarna urskilja separata röda kärnor även när de ligger mycket nära varandra eller delvis överlappar.811

När tekniken användes på bilder från JWST:s COSMOS-Web-program hittades fyra kandidatpar med vinkelavstånd på ungefär 0,2–1,2 bågsekunder.8 I astronomiska mått är det extremt nära grannar. Bilderna ensamma kan dock inte avgöra om objekten verkligen hör ihop fysiskt eller bara råkar ligga på samma siktlinje.

Spektrum bekräftar två fysiska par

Det starkare testet kom från JWST:s slitslösa spektroskopi i COSMOS-3D. I två av systemen visade båda medlemmarna i varje par en emissionslinje vid samma observerade våglängd. Om den breda linjen med hög ekvivalent bredd identifieras som H-alfa får de två paren gemensamma rödförskjutningar på 5,822 respektive 5,464.8

Mätningarna motsvarar projicerade avstånd på cirka 1,64 och 7,36 kiloparsec – ungefär 5 300 respektive 24 000 ljusår. Vi ser systemen som de såg ut för omkring 12,5–12,8 miljarder år sedan, när universum fortfarande var mycket ungt.821

Samma rödförskjutning bevisar inte i sig att de svarta hålen kommer att slås samman. Däremot talar den starkt för att medlemmarna i de två paren är verkliga nära grannar och inte oberoende objekt som råkat hamna ovanpå varandra i bilden.8

Statistiken pekar på ovanligt täta grannar

Forskarna jämförde också observationerna med simulerade kataloger. Syftet var att uppskatta hur ofta oberoende objekt skulle kunna se ut att ligga nära varandra av en slump. Resultaten visar att slumpmässiga projektioner längs siktlinjen inte enkelt kan förklara de observerade paren.8

Den uppskattade småskaliga klustringen av LRD:er var omkring 20–30 gånger starkare än vad en framskrivning av JWST:s signal för aktiva galaxkärnors korrelation på större skalor skulle förutsäga.8 Enkelt uttryckt verkar LRD:er ha nära följeslagare betydligt oftare än vad deras storskaliga fördelning antyder.

Det gör systemen till tänkbara föregångare till sammanslagningar mellan galaxer och svarta hål. Det är ändå mer korrekt att kalla dem kandidatpar än bekräftade svarta hål-binärer: observationerna visar inte att varje LRD innehåller ett aktivt växande svart hål, att alla fyra par är gravitationellt bundna eller när en eventuell sammanslagning skulle ske.817

Kan sammanslagningar förklara tidiga jättesvarta hål?

Om båda medlemmarna i ett par hyser aktiva svarta hål kan en sammanslagning kombinera deras massor. Växelverkan mellan de omgivande galaxerna kan dessutom driva gas mot de centrala områdena och ge de svarta hålen mer bränsle för snabb ackretion, alltså infångning av materia. Upprepade perioder av ackretion och sammanslagningar skulle därmed kunna bidra till att bygga upp mycket massiva svarta hål under den begränsade tid som stod till buds efter big bang.8

Det är särskilt intressant eftersom LRD:er hör till JWST:s mest överraskande upptäckter på stora kosmiska avstånd. Många studier tolkar dem som dolda eller på annat sätt ovanliga aktiva galaxkärnor, men den fysiska förklaringen är inte avgjord.17 Om täta par är vanliga skulle det visa att växelverkan och sammanslagningar spelade en roll redan under en tidig fas av de svarta hålens utveckling – inte bara senare i universums historia.

Tät gas kan vara minst lika viktig

Sammanslagningar är inte den enda föreslagna vägen till snabb tillväxt. Andra modeller beskriver LRD:er som unga aktiva galaxkärnor inbäddade i optiskt tjocka höljen eller kokonger av tät gas. Sådana miljöer kan både förse de centrala svarta hålen med stora mängder materia och förändra ljuset som når fram till JWST, vilket kan bidra till objektens karakteristiskt röda färg.2612

Förklaringarna behöver inte utesluta varandra. Tät gas kan driva snabb ackretion före, under eller efter en sammanslagning, medan själva sammanslagningen kan hjälpa till att koncentrera gas runt de växande svarta hålen. Dagens observationer kan ännu inte avgöra hur stor andel av den tidiga tillväxten som kom från sammanslagningar, ihållande ackretion eller en kombination av båda.817

Större JWST-mätningar ska avgöra hur viktiga paren är

Pixelmetoden ger astronomer ett sätt att leta efter täta LRD-par som riskerar att missas när närliggande källor behandlas som ett enda kompakt objekt. Om tekniken används på bredare och djupare JWST-data kan forskarna mäta:

• hur ofta LRD:er har nära följeslagare;
• hur andelen par förändras med rödförskjutning och ljusstyrka;
• om den starka småskaliga klustringen återkommer i olika observationsfält; och
• om den beräknade sammanslagningsfrekvensen är tillräckligt hög för att sammanslagningar ska vara en huvudväg för tidig tillväxt av svarta hål.8

Sådana mätningar kan också förbättra uppskattningarna av massor och sammanslagningsfrekvenser för tidiga binära svarta hål. Det är relevant för framtida rymdbaserade gravitationsvågsobservatorier, bland annat LISA och föreslagna detektorer i decihertzområdet.18

För närvarande är den säkraste slutsatsen att JWST-data ger starka belägg för en oväntat stor population av täta LRD-par – inte att man direkt har sett en sammanslagning mellan svarta hål eller dess gravitationsvågor. Mer spektroskopi och större JWST-urval får visa om de röda punkterna är ett vanligt tecken på tidiga sammanslagningar eller en del av en mer komplicerad berättelse om hur svarta hål växte.