Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba mogą być bliscy rozwiązania zagadki „małych czerwonych kropek” we wczesnym Wszechświecie. Zespół zbadał jeden z tych dziwnych obiektów, oznaczony jako GLIMPSE-17775, znajdując dowody, że jest to gwiazda z czarną dziurą — żarłocznie żerująca, rosnąca supermasywna czarna dziura otoczona gęstym obłokiem częściowo zjonizowanego gazu.
Małe czerwone kropki zaczęły pojawiać się po raz pierwszy, gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) zaczął wysyłać dane na Ziemię latem 2022 r. Niektórzy naukowcy twierdzili, że mają one „zepsuty kosmologię”, ponieważ pojawiają się w dużych ilościach około 600 milionów lat po Wielki Wybuchale wydaje się, że tak zniknąć zanim Wszechświat osiągnie wiek 2 miliardów lat. Zaproponowano kilka wyjaśnień małych czerwonych kropek, ale jednym z nich, które wyłoniło się na prowadzenie, jest koncepcja gwiazd czarnych dziur. Jeśli istnieją gwiazdy będące czarnymi dziurami, zniknięcie małych czerwonych kropek byłoby wynikiem ich intensywnych, krótkotrwałych impulsów wzrostu, które powodują ich wypalenie – lub dlatego, że rosnące supermasywne czarne dziury w ich centrach ostatecznie usuwają zasłaniający je gęsty gaz i pył, zmieniając ich wygląd w miarę ewolucji w bardziej typowe aktywne galaktyki.
Problem polega jednak na tym, że astronomom nie udało się zebrać dowodów obserwacyjnych na to, że małe czerwone kropki są rzeczywiście gwiazdami będącymi czarnymi dziurami. Tak było do czasu, gdy JWST sfotografował małą czerwoną kropkę GLIMPSE-17775, widzianą zaledwie 1,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, podczas obserwacji gromady galaktyk Abell S1063 z soczewką grawitacyjną. Dane te reprezentują najgłębsze widmo światła pochodzące z małej czerwonej kropki zebrane do tej pory i według zespołu zawierają wiele dowodów wskazujących na gwiazdę z czarną dziurą.
„Myślę, że część społeczności naukowej skupia się na jednym obrazie – że małe czerwone kropki można wytłumaczyć modelami gwiazd czarnych dziur. Jednak w żadnej z poprzednich małych czerwonych kropek wszystkie dowody nie znajdowały się w tym samym miejscu” – Wasilij Kokorev z Uniwersytetu Teksasu w Austin – napisano w oświadczeniu. „Dzięki GLIMPSE-17775 możemy przetestować te modele ze względu na głębokie i niesamowite widmo tego źródła”.
Rozwiązywanie małej zagadki z czerwonymi kropkami ręką Einsteina
JWST dostrzegł GLIMPSE-17775 podczas poszukiwań gwiazd pierwszej generacji w naszym wszechświecie, nieco myląco nazywanych gwiazdami „Populacji III”. Teleskop szukał tych konkretnych gwiazd w galaktykach wchodzących w skład gromady galaktyk Abell S1063.
Oddzielnie Abell S1063 to soczewka grawitacyjnaco oznacza, że jego ogromny wpływ grawitacyjny faktycznie zakrzywia strukturę przestrzeni i czasu (zjednoczonych jako pojedyncza, czterowymiarowa całość zwana czasoprzestrzenią). To z kolei oznacza, że obiekt „za” gromadą galaktyk, który emituje światło w kierunku naszego punktu obserwacyjnego, miałby swoją ścieżkę światła zakrzywioną zgodnie z krzywą czasoprzestrzeni. Może to stworzyć efekt powiększenia.
Koncepcja soczewkowania grawitacyjnego została po raz pierwszy przewidziana przez: Alberta Einsteina w swojej teorii ogólna teoria względnościi w ten sposób naukowcom udało się zaobserwować GLIMPSE-17775 — zasadniczo zmieniając 30 godzin obserwacji w zaledwie około 80.
„Kiedy po raz pierwszy zobaczyliśmy widmo, mieliśmy wrażenie, jakby wszystkie elementy układanki były rozrzucone na podłodze” – powiedział Kokorev. „Podnieśliśmy każdy element układanki, zmierzyliśmy linie i zaczęliśmy łączyć różne elementy w mozaikę. Może kilka elementów na początku wyglądało jak nic, ale potem kilka z nich połączyło się i zdaliśmy sobie sprawę, że coś w tym jest”.
Zespół zidentyfikował kilka linii dowodów w obserwacjach JWST wskazujących, że „mała czerwona kropka” GLIMPSE-17775 jest rzeczywiście gwiazdą z czarną dziurą. Obejmuje to emisje pierwiastków, które nie odpowiadają tym, czego można by się spodziewać w wirującej chmurze gazu. Zamiast tego linie emisyjne wskazują rozproszenie elektronów, czego można się spodziewać, gdy źródło promieniowania jest otoczone rozległym i gęstym kokonem gazu. Na gęsty płaszcz gazowy wskazywały także oznaki fluorescencji i promieniowania pochłaniającego hel.
Zespół zaobserwował także linie widmowe żelaza, które nazwał „żelaznym lasem”. Tego można się spodziewać po wysokoenergetycznej emisji szybko karmiącej się supermasywnej czarnej dziury: gwiazdy czarnej dziury. Jeśli małe czerwone kropki szybko akreują supermasywne czarne dziury osłonięte gęstymi otoczkami gazowymi, wyjaśniałoby to, dlaczego te tajemnicze obiekty są tak słabe w promieniowaniu rentgenowskim, ponieważ kokony powinny absorbować to wysokoenergetyczne promieniowanie.
Jednak w obserwacjach GLIMPSE-17775 czegoś brakuje.
Małe czerwone kropki zwykle charakteryzują się silnym, charakterystycznym spadkiem w widmie emitowanego światła, co jest znane jako „przełom Balmera”. Zespół uważa, że ta cecha jest słabsza w przypadku tej małej czerwonej kropki niż w innych, ponieważ GLIMPSE-17775 jest otoczona przez masywną galaktykę macierzystą. Dane zespołu stanowią zatem brakujący element układanki małych czerwonych kropek, dobrze wpasowując się w nasze zrozumienie ewolucji wszechświata.
„Wszystko pasuje, nic nie jest zepsute i myślę, że dzięki temu zagadka, jaką jest nasz wszechświat, jest jeszcze lepsza” – podsumował Kokorev. „Patrząc w przyszłość, nie mogę się doczekać głębszego zanurzenia się i poznania, co napędza centralne silniki małych czerwonych kropek. Chociaż uważamy, że jest to czarna dziura, proponuje się kilka innych interesujących teorii, co jest ekscytujące. „Może za rok lub dwa będziemy mieli ostateczną odpowiedź na pytanie, co zasila te źródła”.
Wyniki badań zespołu opublikowano w środę (10 czerwca) w Dziennik astrofizyczny .
