Czy gwiazdy czarnych dziur istnieją? Teleskop Webba odkrył niezwykły obiekt

Kosmiczny Teleskop Webba dostarczył nowych dowodów na istnienie obiektu określanego jako „gwiazda czarnej dziury”. Zdaniem astronomów tajemnicza „mała czerwona kropka” GLIMPSE-17775 może być jednym z najlepszych jak dotąd kandydatów na taki egzotyczny obiekt we Wszechświecie.

Czy gwiazdy czarnych dziury naprawdę istnieją?

Obiekty znane jako „małe czerwone kropki” („little red dots”) stanowiły zagadkę dla astronomów od czasu wykrycia ich przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. W ramach nowego badania naukowcy pod kierunkiem Vasily’ego Kokoreva z University of Texas at Austin zidentyfikowali nowy obiekt tego typu, który został oznaczony jako GLIMPSE-17775. Dzięki szczegółowej analizie jego widma zarejestrowanego przez Webba – najgłębszego jak dotąd widma „małej czerwonej kropki” – badacze znaleźli wiele dowodów wspierających interpretację, że może to być supermasywna czarna dziura otoczona gęstym kokonem częściowo zjonizowanego gazu. Jak wskazują astronomowie, tego rodzaju obiekty określane są jako „gwiazdy czarnych dziur” („black hole stars”) lub quasigwiazdy (quasistars). Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”.

„Myślę, że część społeczności naukowej może skłaniać się ku temu wyjaśnieniu, że małe czerwone kropki można opisać za pomocą modeli black hole stars. Jednak żaden z wcześniej badanych obiektów nie zawierał wszystkich dowodów na to wskazujących. W przypadku GLIMPSE-17775 możemy testować te modele dzięki temu, jak głębokie i niezwykłe jest widmo tego źródła” – mówi Vasily Kokorev.

Niezwykła „mała czerwona kropka”

Wkrótce po rozpoczęciu obserwacji Teleskop Webba odkrył nowy, tajemniczy typ obiektów we wczesnym Wszechświecie – liczne „małe czerwone kropki”, które pojawiły się około 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Naukowcy rozważali wiele wyjaśnień natury tych obiektów, w tym również możliwość, że mogą być to „gwiazdy czarnych dziur”.

Obiekt, który później otrzymał nazwę GLIMPSE-17775, został uwzględniony w obserwacjach obrazowych i spektroskopowych Webba prowadzonych w ramach projektu poszukującego gwiazd III populacji oraz słabych galaktyk w gromadzie Abell S1063. Ta „mała czerwona kropka” znajdowała się dalej niż sama gromada galaktyk i była wzmacniana przez zjawisko soczewkowania grawitacyjnego. Jak opisują badacze, GLIMPSE-17775 ma przesunięcie ku czerwieni wynoszące 3,5, co oznacza, że istniała około 1,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Choć Teleskop Webba zbierał widmo tej „małej czerwonej kropki” przez 30 godzin, efekt soczewkowania grawitacyjnego sprawił, że było ono równoważne 80 godzinom czasu obserwacyjnego teleskopu. Połączenie czułości Webba w podczerwieni oraz naturalnej „kosmicznej lupy” zwiększyło ilość szczegółów, jakie naukowcy mogli uchwycić. W rezultacie uzyskano ponad 40 linii widmowych z tego niewielkiego źródła, co stanowi najbardziej szczegółowe dane dotyczące tego rodzaju obiektu uzyskane do tej pory.

Dane spektroskopowe zebrane przez Webba zawierały wiele dowodów wspierających interpretację, że „mała czerwona kropka” GLIMPSE-17775 może być w rzeczywistości „gwiazdą czarnej dziury” – szybko akreującą czarną dziurą otoczoną gęstym kokonem gazowym, który przetwarza światło emitowane z okolic obiektu centralnego i wytwarza cechy obserwowane w widmie.

Dowody wskazujące na istnienie „gwiazdy czarnej dziury”

Wśród ponad 40 linii spektralnych wykrytych przez astronomów w widmie GLIMPSE-17775 znalazły się różne niezależne wskaźniki zgodne ze scenariuszem zakładającym istnienie „gwiazdy czarnej dziury”. Na przykład badacze odkryli, że wiele z nich, takich jak linie wodoru, tlenu i helu, nie pasowało do prostego modelu obracającego się obłoku gazu. Zamiast tego najlepiej dopasowany model uwzględniał efekt poszerzenia linii znany jako rozpraszanie elektronowe (electron scattering), będący charakterystycznym sygnałem wskazującym, że źródło może być otoczone gęstym, warstwowym kokonem gazowym.

Natężenie niektórych linii oraz ich wzajemne proporcje, szczególnie linii żelaza tworzących strukturę nazwaną przez badaczy „żelaznym lasem” („iron forest”), a także niektórych linii tlenu, wymagały obecności wysokoenergetycznego źródła, takiego jak szybko akreująca czarna dziura. Ponadto astronomowie zaobserwowali w widmie fluorescencję oraz absorpcję helu, które niezależnie od siebie sugerowały istnienie gęstego ośrodka otaczającego potężne źródło energii.

Model „gwiazdy czarnej dziury” nie tylko dobrze opisuje GLIMPSE-17775, ale również wyjaśnia, dlaczego większość „małych czerwonych kropek” jest słaba w promieniowaniu rentgenowskim. Każda taka emisja jest bowiem prawdopodobnie pochłaniana przez gęsty kokon gazowy.

Jak podkreślają astronomowie, jednym z brakujących elementów układanki GLIMPSE-17775 pozostaje fragment widma, który ujawniłby tzw. skok Balmera (Balmer break), czyli wyraźny spadek natężenia emitowanego światła, będący charakterystyczną cechą „małych czerwonych kropek”. Aby uzyskać pełniejszy obraz tego obiektu, naukowcy wykorzystali dodatkowe dane pochodzące z dwóch programów obserwacyjnych realizowanych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a NASA: Frontier Fields oraz BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

Połączone dane z Webba i Hubble’a pomogły badaczom wyjaśnić, dlaczego skok Balmera był słabszy niż zwykle obserwowany w innych „małych czerwonych kropkach” – GLIMPSE-17775 otaczała ogromna galaktyka macierzysta. Choć struktura tego typu nie była wcześniej obserwowana na taką skalę, nie stało to w sprzeczności z modelem gęstego kokonu gazowego. Model „gwiazdy czarnej dziury” przypisuje nadmiar światła niebieskiego gwiazdom w galaktyce macierzystej.

Kiedy Webb po raz pierwszy odkrył „małe czerwone kropki”, były one niezwykle problematyczne dla astronomów, ponieważ nie było jasne, jak galaktyki mogły urosnąć do tak dużych rozmiarów w tak krótkim czasie we wczesnym Wszechświecie, aby wyjaśnić całą obserwowaną emisję światła pochodzącą od ich gwiazd. Jednak zdaniem naukowców element układanki w postaci GLIMPSE-17775 dobrze wpisuje się w obecny obraz ewolucji Wszechświata, ponieważ masy czarnych dziur nie muszą być aż tak duże, aby wyjaśnić szerokie linie emisyjne.

„Wszystko do siebie pasuje i myślę, że właśnie dzięki temu układanka, jaką jest nasz Wszechświat, staje się jeszcze ciekawsza” – podsumowuje Vasily Kokorev.

Emil Gołoś