Male crvene točke iz ranog svemira mogle bi biti trag nasilnog rasta crnih rupa

Sitni crveni objekti koje je u ranom svemiru pronašao svemirski teleskop James Webb već neko vrijeme stvaraju problem astronomima. Ima ih više nego što se očekivalo, ne ponašaju se kao obične galaksije, ali ne izgledaju ni kao klasični kvazari. Nova teorijska studija sada nudi objašnjenje unutar standardne slike razvoja svemira: riječ je o mladim crnim rupama uhvaćenima u kratkim, burnim fazama iznimno brzog rasta.

Zagonetni objekti koji ne pristaju u poznate kategorije

Kada je James Webb počeo promatrati najudaljenije dijelove svemira, među prvim iznenađenjima pojavila se neobična skupina sitnih i slabih objekata. Astronomi ih neformalno zovu Little Red Dots, odnosno male crvene točke, jer na Webbovim dubokim opservacijama izgledaju upravo tako: mali, crvenkasti i brojni.

Problem je u tome što njihova svjetlost ne odgovara jednostavnom objašnjenju.

U spektru pokazuju neobičan V-oblik. Sjajni su u ultraljubičastom i optičkom području, dok između ta dva dijela postoji izražen pad. Istodobno imaju široke emisijske linije, što obično upućuje na plin koji se brzo giba oko aktivne crne rupe.

No tu se objašnjenje počinje lomiti. Kada bi bila riječ o običnim aktivnim galaktičkim jezgrama ili mladim kvazarima, astronomi bi očekivali jasnije tragove u rendgenskom, radijskom i infracrvenom području. Takvih tragova nema, barem ne u obliku u kojem bi se očekivali.

Zato male crvene točke već neko vrijeme stoje na neugodnom mjestu između kategorija. Previše su neobične za obične mlade galaksije, ali ne ponašaju se dovoljno uvjerljivo ni kao klasični kvazari.

Crne rupe koje su krenule rasti vrlo rano

U novom teorijskom radu Yangyao Chen sa Sveučilišta Nanjing i Houjun Mo sa Sveučilišta Massachusetts nude objašnjenje koje ne traži novu fiziku. Prema njihovu modelu, male crvene točke mogu nastati unutar standardne kozmološke slike ΛCDM, u kojoj razvoj svemira određuju hladna tamna tvar i tamna energija.

Priča počinje vrlo rano, prije više od 13 milijardi godina. Prema modelu, prve važne crne rupe u toj populaciji nastale su pri crvenom pomaku većem od 20, u razdoblju kada je svemir bio mlađi od 200 milijuna godina.

Nastajale su u malim haloima tamne tvari povezanim s prvom generacijom zvijezda. Nisu bile nalik uobičajenim crnim rupama zvjezdanih masa, koje nastaju urušavanjem pojedinačnih masivnih zvijezda. Model ih smješta u raspon crnih rupa srednje mase: većih od tipičnih zvjezdanih crnih rupa, ali još nedovoljno masivnih da same objasne sjaj objekata koje vidi James Webb.

Tu počinje ključni dio rada. Crna rupa srednje mase sama po sebi nije dovoljna da proizvede svjetlost malih crvenih točaka opaženih otprilike milijardu godina nakon Velikog praska. Za to je morala brzo narasti.

Prema autorima, taj se rast odvijao u kratkim i ponavljanim epizodama u zbijenim središtima mladih galaksija. Upravo te nagle provale hranjenja u modelu pretvaraju rane crne rupe u dovoljno snažne izvore svjetlosti da ih Webb danas opaža kao jednu od najneobičnijih populacija ranog svemira.

Nagli naleti rasta u središtima mladih galaksija

U modelu Chen i Moa ključan je trenutak kada se središte mlade galaksije naglo uzburka. To se može dogoditi tijekom spajanja s drugom galaksijom ili pri bliskom prolasku, kada gravitacijski poremećaj promijeni putanje plina i usmjeri ga prema najgušćem središnjem području.

Ondje crna rupa dobiva kratku, ali iznimno obilnu zalihu materijala. Počinje rasti brže od Eddingtonove granice, što je naziv za stopu pri kojoj zračenje iz neposredne okolice crne rupe počinje kočiti daljnji dotok plina. U ovom modelu taj dotok može biti približno deset puta veći od navedene granice.

Takve faze ne traju dugo, ali njihov se učinak zbraja. Do crvenog pomaka 5, otprilike milijardu godina nakon Velikog praska, rane crne rupe u modelu dosežu mase između 100.000 i milijun Sunčevih masa. Time postaju dovoljno snažni izvori svjetlosti da ih James Webb može izdvojiti u ranom svemiru.

Iz toga proizlazi i objašnjenje neobičnog spektra malih crvenih točaka.

Isti poremećaj koji dovodi plin do crne rupe pokreće i snažno stvaranje zvijezda u zbijenom zvjezdanom skupu oko galaktičkog središta. Mlade zvijezde daju plavi, ultraljubičasti dio svjetlosti. Crna rupa koja brzo raste pridonosi crvenijem optičkom sjaju. Ta kombinacija stvara V-oblik spektra koji je astronome i doveo do problema.

U toj interpretaciji male crvene točke predstavljaju prolaznu fazu u razvoju mladih galaktičkih sustava. Riječ je o razdoblju u kojem se rast središnje crne rupe i stvaranje zvijezda odvijaju gotovo istodobno, u vrlo zbijenom i nemirnom području galaksije.

James Webb zasad vidi samo najsjajnije primjerke

Važan dio rada jest tvrdnja da se takvi objekti u modelu pojavljuju prirodno. Autori ne moraju posebno podešavati početne uvjete kako bi dobili populaciju nalik onoj koju opaža James Webb. Male crvene točke nastaju kao posljedica zajedničkog razvoja crnih rupa, galaksija i njihovih tamnomaterijskih okruženja.

Model također predviđa da Webb trenutačno vidi samo najsjajniji dio te populacije. U ranom svemiru, prema istom objašnjenju, trebala bi postojati mnogo veća skupina slabijih crnih rupa koje prolaze kroz slične nalete rasta. One su zasad preslabe da bi ih Webb lako izdvojio.

Ni njihova kasnija sudbina nije jedinstvena. Neki od tih objekata tijekom kozmičke povijesti završavaju unutar velikih galaksija ili u najsjajnijim galaksijama unutar skupova. Drugi ostaju gotovo izolirani, a njihove crne rupe nakon rane burne faze rastu vrlo sporo. Takvi sustavi danas bi mogli nalikovati kompaktnim patuljastim galaksijama, ultrakompaktnim patuljastim galaksijama ili objektima sličnima kuglastim skupovima.

Chen i Mo najavljuju detaljniji rad o mogućoj vezi između malih crvenih točaka i današnjih kompaktnih patuljastih galaksija. Njihov sadašnji model zasad nudi čisto kozmološko objašnjenje za jednu od najneobičnijih populacija koje je James Webb pronašao u ranom svemiru: rane crne rupe koje su rasle u kratkim, snažnim naletima, dok su se oko njih istodobno stvarale nove zvijezde.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.