Małe czerwone kropki z wczesnego Wszechświata
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba od pierwszych miesięcy pracy zasypywał astronomów zagadkami, a jedną z najbardziej intrygujących okazały się tzw. małe czerwone kropki – kompaktowe, bardzo czerwone obiekty z wczesnego Wszechświata.
Właśnie ogłoszono wyniki najdokładniejszego dotąd badania jednego z takich obiektów, GLIMPSE‑17775, które dają najsilniejsze jak dotąd argumenty, że przynajmniej część małych czerwonych kropek to supermasywne czarne dziury ukryte w gęstym kokonie gazu.
Zespół kierowany przez Vasily’ego Kokoreva z University of Texas at Austin połączył niezwykłą czułość Webba z kosmiczną soczewką grawitacyjną, aby uzyskać rekordowo głębokie widmo tego obiektu.
Wyniki ukazały się w The Astrophysical Journal i zostały zaprezentowane w komunikacie ESA/Webb i NASA.
GLIMPSE‑17775 pod kosmiczną lupą
GLIMPSE‑17775 znajduje się w kierunku gromady galaktyk Abell S1063 i jest położony jeszcze dalej niż sama gromada – jego przesunięcie ku czerwieni wynosi około 3,5, co oznacza, że widzimy go takim, jaki był około 1,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.
Światło tego maleńkiego, czerwonego źródła zostało dodatkowo wzmocnione przez soczewkowanie grawitacyjne – masywna gromada galaktyk działa tu jak naturalny teleskop powiększający obraz odległego obiektu.
GLIMPSE‑17775 trafił do programu obserwacyjnego GLIMPSE, zaprojektowanego pierwotnie do poszukiwania najwcześniejszych gwiazd (tzw. gwiazd populacji III) i bardzo słabych galaktyk w polu gromady Abell S1063.
Dzięki temu Webb wykonał dla niego aż 30 godzin spektroskopii podczerwonej, a soczewkowanie sprawiło, że efektywnie odpowiada to nawet około 80 godzinom czasu teleskopu – jak na pojedynczy obiekt to naprawdę luksusowy czas antenowy.
Czym są małe czerwone kropki?
Małe czerwone kropki (little red dots, LRDs) to nowa klasa obiektów odkryta przez Webba – bardzo kompaktowych, mocno zaczerwienionych źródeł w odległym Wszechświecie, pojawiających się masowo mniej więcej 600 mln lat po Wielkim Wybuchu.
Jeśli interpretować je jako zwykłe galaktyki zdominowane przez gwiazdy, musiałyby być ekstremalnie gęste i jasne, co stanowiłoby problem dla standardowych modeli formowania się struktur.
Coraz więcej badań wskazuje jednak, że przynajmniej część z nich to nie supergalaktyki, lecz właśnie ukryte, szybko rosnące czarne dziury otoczone gęstym kokonem gazu, który przerabia promieniowanie z ich okolic.
Widmo jak kosmiczna układanka
Spektrum GLIMPSE‑17775 okazało się najdokładniejszym widmem małej czerwonej kropki, jakie kiedykolwiek zarejestrowano – astronomowie zidentyfikowali w nim ponad 40 linii widmowych.
Pojawiają się w nim linie wodoru, tlenu, helu oraz aż 16 linii żelaza, tworzących to, co badacze nazwali lasem żelaznym; ich intensywność i wzajemne proporcje wymagają bardzo energetycznego źródła promieniowania, typowego dla gwałtownie rosnącej czarnej dziury.
Kluczowe okazało się też to, że linie nie pasują do prostego modelu wirującej chmury gazu – najlepiej opisuje je model z silnym rozszerzeniem linii przez rozpraszanie elektronowe, co wskazuje na gęsty, warstwowy kokon gazowy wokół centralnego obiektu.
Dodatkowo w widmie widać fluorescencję i absorpcję helu, które niezależnie potwierdzają obecność gęstego ośrodka otaczającego bardzo jasne, skoncentrowane źródło energii.
Galaktyka‑gospodarz i słabsze pęknięcie Balmera
Typową cechą wielu małych czerwonych kropek jest tzw. pęknięcie Balmera – wyraźny spadek jasności w widmie przy określonej długości fali, związany z populacją gwiazd w galaktyce.
W przypadku GLIMPSE‑17775 to pęknięcie okazało się zaskakująco słabe, więc zespół sięgnął po dodatkowe dane z Hubble’a, z programów Frontier Fields i BUFFALO.
Po połączeniu obserwacji Webba i Hubble’a okazało się, że GLIMPSE‑17775 jest osadzony w dużej galaktyce macierzystej, której gwiazdy dostarczają dodatkowego, światła niepochodzącego od czarnej dziury, osłabiającego klasyczny sygnał pęknięcia Balmera.
To dobrze wpisuje się w scenariusz: mamy kompaktowe, ekstremalne jądro w gęstym kokonie gazu, zanurzone w normalnie rosnącej galaktyce, a razem widzimy to jako jedną czerwoną kropkę.
Czy kosmologia jest cała?
Gdy Webb po raz pierwszy odkrył małe czerwone kropki, część badaczy zaczęła spekulować, że tak jasne i masywne obiekty tak wcześnie po Wielkim Wybuchu mogą psuć kosmologię – trudno było pogodzić je z klasycznym obrazem tempa wzrostu galaktyk.
Nowa analiza GLIMPSE‑17775 sugeruje jednak, że nie trzeba wywracać standardowego modelu do góry nogami: jeśli dużą część emisji generuje rosnąca czarna dziura otoczona kokonem, to masy samych gwiazd w galaktyce nie muszą być aż tak ekstremalne, jak wcześniej sądzono.
Jak podkreśla zespół, w tym scenariuszu wszystko się zgadza, nic się nie psuje – małe czerwone kropki można wytłumaczyć w ramach znanej kosmologii, choć wciąż wymagają one szczególnej ścieżki wzrostu czarnych dziur.
Jednocześnie autorzy pracy ostrożnie zaznaczają, że nawet tak spektakularny przykład jak GLIMPSE‑17775 nie zamyka dyskusji: potrzebne są kolejne, równie głębokie widma innych obiektów tego typu.
Co dalej z małymi czerwonymi kropkami?
Nowe wyniki pokazują przede wszystkim, jak potężnym narzędziem jest połączenie Webba i soczewkowania grawitacyjnego – bez tego duetu teleskop-natura trudno byłoby tak szczegółowo zajrzeć w serce pojedynczego obiektu z odległego Wszechświata.
W kolejnych latach podobnych programów obserwacyjnych będzie więcej, a astronomowie planują polować na następne małe czerwone kropki z widmami tak bogatymi w linie, jak w przypadku GLIMPSE‑17775.
To właśnie takie pojedyncze, wyjątkowo dobrze zbadane obiekty składają się na większy obraz – historię narodzin i szybkiego wzrostu pierwszych czarnych dziur oraz powiązanych z nimi galaktyk.
Źródła
Główne źródło:
- ESA/Webb – Webb finds strongest evidence yet for ‘black hole stars’
Źródła kontekstowe:
- NASA – NASA Webb Finds Strongest Evidence Yet for ‘Black Hole Stars’,
- Space Telescope Science Institute – NASA Webb Finds Strongest Evidence Yet for ‘Black Hole Stars’,
- NASA – Evidence of a ‘Black Hole Star’,
- NASA – Little Red Dots (NIRCam Image)
Opracowanie: Agnieszka Nowak
