Światło sprzed 12 miliardów lat
Te enigmatyczne obiekty, nazwane LRD (Little Red Dots), znajdują się w ogromnej odległości od Ziemi. Światło pochodzące z najbliższych z nich podróżowało przez 12 miliardów lat, zanim dotarło do naszych teleskopów. Oznacza to, że obserwujemy je w stanie, w jakim znajdowały się zaledwie 1,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu – w okresie, gdy wszechświat był jeszcze w fazie intensywnego formowania. Co warto podkreślić, Teleskop Hubble’a w ogóle nie był w stanie ich wykryć. LRD emitują głównie promieniowanie w zakresie średniej podczerwieni, co czyni je niewidocznymi dla starszych instrumentów obserwacyjnych. Dopiero zaawansowane czujniki Jamesa Webba pozwoliły na ich identyfikację. To trochę jak odkrycie nowego wymiaru, który wcześniej pozostawał poza naszym zasięgiem.
Czytaj też: Potężna dziura na Słońcu może nieźle namieszać. NOAA wydała ostrzeżenie dla Ziemi
W 2024 roku międzynarodowa grupa astronomów pod kierunkiem Anny de Graaff z Instytutu Astronomii Maxa Plancka postanowiła rozwikłać tę kosmiczną zagadkę. W ramach programu RUBIES wykorzystano prawie 60 godzin obserwacji JWST do uzyskania szczegółowych widm 4500 odległych galaktyk. W tym ogromnym zbiorze danych udało się zidentyfikować 35 małych czerwonych kropek.
W tym zbiorze danych znaleźliśmy 35 małych czerwonych kropek. Większość z nich została już odkryta za pomocą publicznie dostępnych zdjęć JWST. Ale te, które były nowe, okazały się najbardziej ekstremalnym i fascynującym obiektem – tłumaczy Raphael Hviding z MPIA
Wśród wszystkich badanych obiektów jeden szczególnie przykuł uwagę naukowców. Nazwany „The Cliff”, miał on odmienić dotychczasowe rozumienie wczesnego wszechświata.
Obiekt, który nie powinien istnieć
„The Cliff” (RUBIES-UDS-154183) znajduje się w odległości 11,9 miliarda lat świetlnych. Jego widmo ujawnia coś niezwykłego: skok Balmera dwukrotnie silniejszy niż w jakimkolwiek innym znanym źródle o wysokim przesunięciu ku czerwieni. To tak, jakby natura postanowiła przetestować granice naszego fizycznego zrozumienia. Widmo pokazuje również szerokie linie emisyjne wodoru i helu, przy praktycznym braku metali. Gaz otaczający obiekt porusza się z prędkością około 1500 kilometrów na sekundę. To ponad 5 milionów kilometrów na godzinę. Dla porównania, Ziemia okrąża Słońce z „zaledwie” 107 000 km/h.
Kiedy astronomowie próbowali zastosować tradycyjne modele oparte na masywnych gwiazdach, wyniki okazały się kompletnie niezgodne z obserwacjami. Nawet przy założeniu ekstremalnych praw ekstynkcji pyłu czy nietypowych rozkładów mas gwiazd, liczby po prostu się nie zgadzały. Pojawia się jeszcze jeden istotny problem. Gdyby „The Cliff” był galaktyką zdominowaną przez gwiazdy, jego gęstość masowa wynosiłaby około 10 miliardów mas Słońca skupionych na obszarze zaledwie 40 parseków. To niewyobrażalne zagęszczenie materii. Przy takiej gęstości gwiazdy zderzałyby się ze sobą średnio pięć razy w ciągu roku. Każde takie zderzenie generowałoby potężną emisję promieniowania rentgenowskiego, którą powinniśmy rejestrować. Tymczasem żadne takie sygnały nie zostały zaobserwowane. Coś wyraźnie nie pasuje do dotychczasowych modeli.
Gwiazda czarnej dziury, czyli nowa koncepcja
Zespół zaproponował radykalne rozwiązanie – model „gwiazdy czarnej dziury”. W centrum znajduje się supermasywna czarna dziura z dyskiem akrecyjnym, pochłaniająca materię i emitująca intensywne promieniowanie. Kluczowym elementem jest jednak gęsta otoczka gazu wodorowego, która otacza cały układ niczym kokon. To właśnie ten gaz, a nie pył, odpowiada za charakterystyczne zaczerwienienie i silny skok Balmera. Model ten znacznie lepiej opisuje obserwowane dane, szczególnie nietypowy kształt widma „The Cliff”.
Czytaj też: Czarna dziura podważa istniejące teorie. Chodzi o zagadkowe “bicie serca”
Czarna dziura w centrum ma masę około 10 milionów mas Słońca i pochłania materię z prędkością przekraczającą limit Eddingtona, czyli teoretyczną maksymalną prędkość akrecji. Współczynnik Eddingtona wynosi około 1,3, co wskazuje na niezwykle efektywne pochłanianie materii. Odkrycie drugiego podobnego obiektu, „MoM-BH*-1”, potwierdza, iż „The Cliff” nie jest kosmicznym wyjątkiem. Ten drugi obiekt ma niemal identyczne widmo, choć znajduje się jeszcze dalej – przy przesunięciu ku czerwieni z=7,76. Sugeruje to, że mamy do czynienia z nową klasą obiektów kosmicznych, a nie pojedynczą anomalią. Obecne modele BH* znajdują się w początkowej fazie rozwoju. Astronomowie wciąż nie do końca rozumieją, dlaczego widmo AGN jest tak czerwone. Być może wynika to z akrecji super-Eddingtonowskiej, a może w otoczce gazowej ukrywają się supermasywne gwiazdy.
„The Cliff” stał się punktem odniesienia dla przyszłych badań nad aktywnymi jądrami galaktycznymi i gwiazdami czarnych dziur. Po raz pierwszy mamy obiekt, dla którego możemy kategorycznie wykluczyć dominację masywnej populacji gwiazdowej. To zmienia sposób, w jaki postrzegamy supermasywne czarne dziury we wczesnym wszechświecie i ich szybki wzrost w pierwszych miliardach lat po Wielkim Wybuchu.