Nowe badania przeprowadzone z użyciem Teleskopu Webba sugerują, że tak zwane Małe Czerwone Kropki mogą być oscylującymi supermasywnymi gwiazdami – pierwotnym źródłem czarnych dziur o masie miliarda mas Słońca. Te ekstremalnie jasne obiekty z wczesnego Wszechświata mogą odsłonić tajemnicę formowania się potężnych czarnych dziur w ciągu zaledwie kilkuset milionów lat.
Jedna z największych zagadek astronomii dotyczy nadzwyczaj szybkiego pojawiania się ogromnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Kwazary obserwowane w czasach, gdy Wszechświat miał zaledwie kilkaset milionów lat, zawierają czarne dziury o masie miliarda mas naszego Słońca. Problem polega na tym, że w tak krótkim czasie dostępnym dla naturalnego wzrostu czarnych dziur – poprzez akrecję otaczającego materiału – niemożliwe jest powiększenie się nowo narodzonych czarnych dziur do takich rozmiarów. Naukowcy szukają zatem pierwotnych, masywnych nasion – pierwotnych czarnych dziur, które stanowiłyby punkt wyjścia dla tego wzrostu.
Nowe obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) mogą dostarczyć odpowiedzi na to fundamentalne pytanie. Obserwacje teleskopu ujawniły populację zagadkowych, zwartych źródeł światła nazwanych Małymi Czerwonymi Kropkami (Little Red Dots, LRDs), których fizyczna natura pozostawała dotychczas przedmiotem zaciętych dyskusji wśród astronomów. Teraz zespół naukowców, w tym Abraham Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, zaproponował odważną hipotezę: obiekty te mogą być bezpośrednią obserwacyjną manifestacją supermasywnych gwiazd z wczesnego Wszechświata.
Supermasywne gwiazdy (ang. supermassive stars, SMS) to hipotetyczne obiekty o masach rzędu miliona mas Słońca, powstające w prymitywnych, ubogich w metale środowiskach pierwszych galaktyk. Ich powstanie wymaga niezwykłych warunków: osamotnionych, wolnych od metali stref gazu, gdzie tłumienie chłodzenia wodorem (H₂) uniemożliwia fragmentację materii. W takich warunkach gaz może napływać do rosnącej protogwiazdy z oszałamiającą szybkością – od dziesiątek do nawet dziesiątek tysięcy mas Słońca rocznie.
Badania teoretyczne przewidują, że supermasywne gwiazdy osiągają ogromne rozmiary – ich promienie są dziesiątki tysięcy razy większe od promienia Słońca. Świecą niemal z maksymalną dopuszczalną jasnością, zwaną granicą Eddingtona, i żyją zaledwie kilkaset lat przed ostatecznym zapadnięciem się w czarną dziurę. Gdy jądro gwiazdy osiąga masę kilkudziesięciu tysięcy mas Słońca, zachodzą procesy opisane ogólną teorią względności Einsteina – gwiazda wybucha od wewnętrznej niestabilności i bezpośrednio zapada się w czarną dziurę. Nie ma etapu białego karła czy gwiazdy neutronowej – przemienianie jest gwałtowne i prawie natychmiastowe.
Hipoteza supermasywnych gwiazd jako źródła czarnych dziur rozwiązuje problem, który astronomów nękał przez wiele lat. Jeśli pierwotne czarne dziury mogą powstać z supermasywnych gwiazd o masie od pół miliona do miliona mas Słońca, następnie mogą rosnąć poprzez akrecję do rozmiarów obserwowanych dzisiaj w stosunkowo krótkim czasie kosmicznym. Sedno sprawy polega jednak na tym, czy małe czerwone kropki rzeczywiście mogą być obserwacjami tych nieuchwytnych obiektów.
Zespół naukowców z uniwersytetu Virginia i Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics przeprowadził bezprecedensową analizę. Badacze opracowali zaawansowany model komputerowy, który łączy precyzyjne obliczenia dotyczące ewolucji gwiazd (przy użyciu specjalistycznego programu GENEC) z modelowaniem tego, jak promieniowanie przenika przez atmosferę gwiazdy oraz jak ta atmosfera emituje światło o różnych długościach fali. Dzięki temu podejściu naukowcy byli w stanie odtworzyć syntetyczne widma – czyli rozkład intensywności światła na poszczególnych długościach fali – dla nie obracającej się, pozbawionej metali supermasywnej gwiazdy o masie miliona mas Słońca.
Rezultaty były zaskakujące: model supermasywnej gwiazdy doskonale odtworzył obserwacyjne cechy widmowe małych czerwonych kropek. Przede wszystkim tłumaczył najbardziej charakterystyczną cechę – ekstremalnie głęboki skok Balmera (skok nieprzezroczystości spektralnej przy długości fali 3646 angstremów). W normalnych gwiazdach taka cecha powstaje w wyniku pochłaniania światła przez pył kosmiczny. W modelu supermasywnej gwiazdy załamanie to wynika z całkowicie innego mechanizmu: nagłego wzrostu nieprzezroczystości spowodowanego absorpcją przez atomy wodoru.
W atmosferze supermasywnej gwiazdy, którą oświetla niezwykle intensywne promieniowanie z jej wnętrza, atomy wodoru mogą ulec jonizacji – elektrony są wówczas wybijane z atomów przez fotony promieniowania. Ten proces fizyczny zachodzi przy określonej granicy energii, odpowiadającej dokładnie długości fali 3646 angstremów – punkcie zwanym linią Balmera. W tym obszarze przejrzystość materiału gwiazdy zmienia się gwałtownie – cztery razy. W wyniku tego światło o krótszych długości fali może pochodzić tylko z chłodniejszych warstw atmosfery bliżej powierzchni, co powoduje znaczne osłabienie jego natężenia. Obserwujemy dokładnie taki efekt w małych czerwonych kropkach – bez konieczności przywoływania wyjaśnień dotyczących pyłu czy złożonej struktury geometrycznej źródła światła.
Inną niezwykłą cechą spektralnych małych czerwonych kropek jest obecność silnie emisyjnej linii wodoru H-beta obok pozostałych linii Balmera obserwowanych w absorpcji. To zjawisko wydawało się trudne do wyjaśnienia przy użyciu modeli czarnych dziur czy młodych populacji gwiazdowych. Model supermasywnej gwiazdy pokazuje, że jest to rezultat niezwykłych warunków panujących w atmosferze takich obiektów.
Zespół badawczy porównał syntetyczne widma generowane przez ich model z rzeczywistymi danymi spektroskopowymi uzyskanymi przez teleskop JWST. Przeanalizowali dwa obiekty: MoM-BH*-1 o przesunięciu ku czerwieni z=7,76 (obserwowany w czasach, gdy Wszechświat miał zaledwie 600 milionów lat) oraz The Cliff o przesunięciu z=3,55. Rezultaty były imponujące.
Dla obiektu MoM-BH*-1, który wykazuje niezwykle szeroką linię H-beta o szerokości (FWHM) około 3736 kilometrów na sekundę, model osiągnął zgodność w granicach czterech procent, przewidując szerokość 3590 kilometrów na sekundę. Szerokie profile linii pochodzą z kombinacji kilku efektów: wewnętrznego rozszerzenia Starka (silnego efektu elektrycznych pól w atmosferze gwiazdy), ogromnych turbulencji na dużą skalę (poruszające się w atmosferze z prędkościami około 1250 kilometrów na sekundę) i potężnych wiatrów gwiazdowych opuszczających powierzchnię gwiazdy z prędkościami sięgającymi 1500 kilometrów na sekundę – jest to około czterdzieści procent prędkości ucieczki z powierzchni obiektu.
Dla obiektu The Cliff model również dostarczył doskonałej zgodności z obserwacjami. Szerokość linii H-alfa obserwowana dla tego obiektu wyniosła około 1533 kilometrów na sekundę, a model supermasywnej gwiazdy, zakładając chaotyczne przepływy w atmosferze o wielkości 1500 kilometrów na sekundę, odtworzyła tę wartość z wysoką dokładnością.
Znaczenie tych odkryć dla astronomii jest ogromne. Jeśli hipoteza supermasywnych gwiazd jest słuszna, to małe czerwone kropki mogą być pierwszą bezpośrednią obserwacją ostatnich chwil życia supermasywnej gwiazdy tuż przed jej zapadnięciem się w czarną dziurę. Te ostatnie momenty trwają zaledwie tysiąc lat – niewyobrażalnie krótko w skali kosmicznej. Fakt, że w badaniach teleskopu JWST zaobserwowano już kilka takich obiektów, sugeruje, że supermasywne gwiazdy mogą być nie takimi wyjątkowymi postaciami Wszechświata jak dotychczas sądzono.
Model supermasywnej gwiazdy oferuje eleganckie, spójne wyjaśnienie dla całokształtu obserwacyjnych cech małych czerwonych kropek. W przeciwieństwie do modeli obejmujących czarne dziury otoczone bliżej niezidentyfikowanymi materiałami czy eksplodujące populacje gwiezdne, hipoteza supermasywnej gwiazdy tłumaczy kształt kontinuum, cechy widmowe linii i szerokości linii emisyjnych jako wyłaniające się właściwości pojedynczego, fizycznie spójnego obiektu astronomicznego.
Przyszłe obserwacje powinny pozwolić na weryfikację tej hipotezy. Teleskop Webba będzie mógł dostarczać dodatkowych danych spektroskopowych dla populacji małych czerwonych kropek. Supermasywne gwiazdy w rotacji wskazywałyby inne cechy widmowe niż obiekty bez rotacji. Jeśli te obiekty rzeczywiście są supermasywnymi gwiazdami na krawędzi kolapsu, powinny wykazywać zmienność jaskrawości – pulsacje wywołane wewnętrzną niestabilnością. Takie zmienności mogłyby być zaobserwowane w monitorowaniu fotometrycznym.
W szerszej perspektywie odkrycia te przyczyniają się do zrozumienia pierwszych etapów ewolucji Wszechświata. Jeśli supermasywne gwiazdy rzeczywiście są nasionami dla potężnych czarnych dziur obserwowanych dzisiaj w sercach większości galaktyk, to ich badanie dostarcza wglądu w procesy formowania się galaktyk i czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie – w czasach, które astronomowie mogą teraz zbadać dzięki możliwościom Teleskopu Webba.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Scientists Use JWST to Examine Ancient Monster Stars That May Reveal the Birth of Black Holes
- Supermassive Stars Match the Spectral Signatures of JWST’s Little Red Dots
Źródło: CfA
Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca supermasywną gwiazdę o masie około miliona razy większej od masy naszego Słońca, luźno otoczoną zewnętrzną powłoką, która została odcięta, aby odsłonić strukturę jej gęstego jądra. Źródło: CfA/Melissa Weiss
