Τηλεσκόπιο James Webb - Ανακάλυψη «αστέρα-μαύρης τρύπας» στο πρώιμο Σύμπαν

Ένα από τα πιο παράξενα αντικείμενα που έχει εντοπίσει μέχρι σήμερα το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπορεί να αποκαλύπτει ένα νέο στάδιο στην εξέλιξη των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

Οι αστρονόμοι έχουν συγκεντρώσει ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη ενός λεγόμενου «αστέρα-μαύρης τρύπας» — μιας μαύρης τρύπας που περιβάλλεται από τόσο πυκνό και θερμό αέριο ώστε, από μακριά, να μοιάζει με ένα τεράστιο άστρο.

Η υπόθεση αφορά δύο ιδιαίτερα σημαντικές παρατηρήσεις του James Webb. Η μία είναι το MoM-BH*-1, ένα εξαιρετικά κόκκινο αντικείμενο που υπήρχε μόλις περίπου 660 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η δεύτερη, το GLIMPSE-17775, προσφέρει μέχρι σήμερα το πιο λεπτομερές φάσμα ενός «little red dot» και ενισχύει σημαντικά την ίδια ερμηνεία.

Τι είναι ένας «αστέρας-μαύρη τρύπα»;

Ο όρος ακούγεται αντιφατικός, αλλά περιγράφει ένα συγκεκριμένο θεωρητικό μοντέλο.

Στο κέντρο του αντικειμένου βρίσκεται μια μαύρη τρύπα που αναπτύσσεται ταχύτατα, καθώς απορροφά ύλη. Γύρω της υπάρχει ένα εξαιρετικά πυκνό περίβλημα αερίου. Η ακτινοβολία που παράγεται κοντά στη μαύρη τρύπα δεν διαφεύγει απευθείας στο Διάστημα. Απορροφάται και επανεκπέμπεται από το αέριο, με αποτέλεσμα ολόκληρο το σύστημα να μοιάζει από μακριά με ένα γιγάντιο άστρο.

Δεν πρόκειται, επομένως, για άστρο με την κλασική έννοια. Η ενέργειά του δεν προέρχεται από πυρηνική σύντηξη όπως στον Ήλιο, αλλά από την ύλη που πέφτει προς τη μαύρη τρύπα.

Το πιο κόκκινο αντικείμενο στις εικόνες του James Webb

Το MoM-BH*-1 εντοπίστηκε ως μια εξαιρετικά φωτεινή κόκκινη κηλίδα στα δεδομένα του James Webb και βρίσκεται στον αστερισμό του Κήτους. Το φως του ταξιδεύει προς εμάς από μια εποχή κατά την οποία το Σύμπαν ήταν ακόμη εξαιρετικά νεαρό, περίπου 660 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Το αντικείμενο παρουσιάζει μια εντυπωσιακά ερυθρή εμφάνιση και η εκπομπή του παρουσιάζει απότομη μεταβολή κάτω από συγκεκριμένο μήκος κύματος. Αυτά τα χαρακτηριστικά ήταν από τους λόγους που τράβηξαν την προσοχή των ερευνητών.

Η ομάδα που μελέτησε το αντικείμενο, με επικεφαλής τον Rohan Naidu του MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, υποστηρίζει ότι το φάσμα του δεν ταιριάζει εύκολα με κάποια από τις γνωστές κατηγορίες αντικειμένων του πρώιμου Σύμπαντος.

Ένα αντικείμενο που μοιάζει με άστρο αλλά λειτουργεί σαν μαύρη τρύπα

Οι παρατηρήσεις δείχνουν ένα αντικείμενο με χαρακτηριστικά που θυμίζουν αστρική ατμόσφαιρα, αλλά ταυτόχρονα με ενεργειακή συμπεριφορά που παραπέμπει σε μαύρη τρύπα.

Αυτό είναι το βασικό παράδοξο που προσπαθούν να εξηγήσουν οι επιστήμονες.

Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι μια μαύρη τρύπα, όταν περιβάλλεται από εξαιρετικά πυκνά στρώματα αερίου, μπορεί να παράγει ένα φάσμα που μοιάζει με αυτό ενός πολύ μεγάλου άστρου. Το αέριο λειτουργεί ουσιαστικά σαν ένα «κέλυφος» που μεταμορφώνει το φως της κεντρικής μαύρης τρύπας.

Η ιδέα δεν αφορά μόνο ένα αντικείμενο. Αν η ερμηνεία επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να εξηγήσει ένα σημαντικό μέρος του πληθυσμού των μυστηριωδών «little red dots» που έχει αποκαλύψει το James Webb.

Το δεύτερο αντικείμενο δίνει την ισχυρότερη μέχρι σήμερα ένδειξη

Ιδιαίτερα σημαντικό είναι το GLIMPSE-17775, το οποίο μελετήθηκε από ομάδα με επικεφαλής τον Vasily Kokorev του University of Texas at Austin.

Το αντικείμενο βρίσκεται πίσω από το σμήνος γαλαξιών Abell S1063 και η εικόνα του ενισχύεται από το φαινόμενο του βαρυτικού εστιασμού. Η βαρύτητα του σμήνους λειτουργεί σαν φυσικός μεγεθυντικός φακός, επιτρέποντας στο James Webb να δει λεπτομέρειες που διαφορετικά θα ήταν πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν.

Το Webb κατέγραψε φάσμα διάρκειας 30 ωρών, το οποίο χάρη στον βαρυτικό εστιασμό αντιστοιχεί περίπου σε 80 ώρες παρατήρησης. Οι επιστήμονες εντόπισαν περισσότερες από 40 φασματικές γραμμές — περισσότερες από οποιοδήποτε άλλο little red dot μέχρι σήμερα.

Το «δάσος» του σιδήρου αποκαλύπτει τι συμβαίνει στο εσωτερικό

Μεταξύ των σημαντικότερων στοιχείων είναι 16 γραμμές σιδήρου, τις οποίες οι ερευνητές περιγράφουν ως «δάσος σιδήρου».

Οι γραμμές υδρογόνου, οξυγόνου και ηλίου επίσης δεν ταιριάζουν με ένα απλό μοντέλο περιστρεφόμενου νέφους αερίου. Η καλύτερη εξήγηση περιλαμβάνει ένα πυκνό περίβλημα μέσα στο οποίο το φως σκεδάζεται από ηλεκτρόνια.

Η εικόνα που προκύπτει είναι εκείνη μιας ισχυρής πηγής ενέργειας στο κέντρο, πιθανότατα μιας μαύρης τρύπας που συσσωρεύει ύλη με πολύ γρήγορο ρυθμό, και ενός πυκνού αέριου κελύφους που την καλύπτει.

Γιατί τα «little red dots» μπέρδεψαν τους αστρονόμους

Τα little red dots έγιναν μία από τις μεγάλες εκπλήξεις του James Webb από την αρχή των επιστημονικών παρατηρήσεών του το 2022.

Είναι μικρά και εξαιρετικά ερυθρά αντικείμενα που εμφανίζονται σε μεγάλες κοσμολογικές αποστάσεις. Η φύση τους παραμένει αντικείμενο έντονης επιστημονικής συζήτησης.

Αρχικά, η φωτεινότητά τους δημιούργησε ένα πρόβλημα: εάν όλο το φως προερχόταν από άστρα, ορισμένοι από τους πρώιμους γαλαξίες θα έπρεπε να είχαν αποκτήσει τεράστια μάζα σε εξαιρετικά μικρό χρονικό διάστημα.

Η παρουσία μιας μαύρης τρύπας στο κέντρο αλλάζει την εικόνα. Ένα σημαντικό μέρος της ενέργειας δεν προέρχεται από τη σύντηξη δισεκατομμυρίων άστρων, αλλά από την ύλη που πέφτει προς την κεντρική μαύρη τρύπα.

Θα μπορούσαν να είναι οι «σπόροι» των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών;

Εδώ βρίσκεται ίσως η μεγαλύτερη σημασία της ανακάλυψης.

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται σήμερα στα κέντρα των γαλαξιών αποτελούν ένα από τα μεγάλα προβλήματα της κοσμολογίας: πώς κατάφεραν να αποκτήσουν τεράστιες μάζες τόσο νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος;

Το σενάριο των «αστέρων-μαύρων τρυπών» προσφέρει μια πιθανή απάντηση.

Αυτά τα αντικείμενα θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν μια πρώιμη, καλυμμένη από αέριο φάση ανάπτυξης, κατά την οποία οι μαύρες τρύπες αποκτούν γρήγορα μάζα και στη συνέχεια εξελίσσονται σε πολύ μεγαλύτερα αντικείμενα.

Ο Rohan Naidu έχει υποστηρίξει ότι τέτοια αντικείμενα ενδέχεται να αποτελούν τους αρχικούς «σπόρους» από τους οποίους προέκυψαν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες των σημερινών γαλαξιών.

Δεν έχει λυθεί ακόμη το μυστήριο

Παρά τα εντυπωσιακά στοιχεία, οι αστρονόμοι δεν θεωρούν ότι το ζήτημα έχει κλείσει.

Το μοντέλο της μαύρης τρύπας που περιβάλλεται από πυκνό αέριο εξηγεί πολλά από τα χαρακτηριστικά των little red dots, αλλά υπάρχουν και άλλες θεωρητικές προσεγγίσεις. Μεταξύ αυτών είναι και η πιθανότητα ορισμένα από αυτά τα αντικείμενα να σχετίζονται με υπερμεγέθη άστρα που βρίσκονται στα τελευταία στάδια πριν από την κατάρρευσή τους.

Παράλληλα, νεότερες μελέτες έχουν εντοπίσει εκατοντάδες υποψήφια αντικείμενα που εμφανίζουν χαρακτηριστικά συμβατά με το μοντέλο των «black hole stars», γεγονός που δείχνει ότι το φαινόμενο μπορεί να μην περιορίζεται σε μια χούφτα εξαιρετικά σπάνιες πηγές.

Το επόμενο κρίσιμο βήμα είναι η παρατήρηση περισσότερων τέτοιων αντικειμένων με το James Webb και άλλα τηλεσκόπια. Αν τα ίδια φασματικά χαρακτηριστικά επαναλαμβάνονται, τότε οι «μικρές κόκκινες κηλίδες» μπορεί να αποδειχθούν κάτι πολύ περισσότερο από ένα παράξενο χαρακτηριστικό των εικόνων του πρώιμου Σύμπαντος.

Μπορεί να είναι το αποτύπωμα της διαδικασίας με την οποία γεννήθηκαν οι γιγάντιες μαύρες τρύπες που σήμερα βρίσκονται στην καρδιά των γαλαξιών.