Svemirski teleskop James Webb pronašao je u mladom svemiru crne rupe koje su prevelike za galaksije u kojima se nalaze. Novo istraživanje nudi drukčije objašnjenje od uobičajenog: možda nisu rasle nevjerojatnom brzinom, nego su neke od njih već nastale kao masivni zametci budućih supermasivnih crnih rupa.
U ranom svemiru odnos crne rupe i galaksije izgleda pogrešno
U današnjem svemiru supermasivne crne rupe uglavnom slijede poznat odnos s galaksijama u kojima se nalaze. U velikim eliptičnim galaksijama i galaksijama s izraženim središnjim područjem masa crne rupe najčešće iznosi tek mali dio ukupne zvjezdane mase galaksije, približno od 0,1 do 0,5 posto.
Webb je u ranom svemiru pronašao drukčiju sliku.
U galaksijama koje vidimo onakvima kakve su bile u prvih jednu do dvije milijarde godina nakon Velikog praska, crne rupe ponekad čine 10 do 30 posto mase svojih galaksija. U najekstremnijim slučajevima, kod zagonetnih objekata poznatih kao Little Red Dots, procijenjena masa crne rupe može biti veća od ukupne mase svih zvijezda u galaksiji.
To je teško uskladiti s klasičnom slikom razvoja galaksija. Prema njoj, galaksija i njezina središnja crna rupa rastu zajedno. Galaksija stvara zvijezde, crna rupa guta plin i drugu materiju, a njihov se odnos oblikuje tijekom vrlo dugog razdoblja.
Webbovi podaci pokazuju da u najranijem svemiru taj odnos nije uvijek bio miran ni postupan. U nekim sustavima crna rupa izgleda kao da je krenula daleko ispred galaksije.
Možda nisu rasle prebrzo, nego su rođene velike
Novo istraživanje sada nudi drukčiji odgovor. Dio tih crnih rupa možda nije počeo kao ostatak mrtve zvijezde, nego kao golemi zametak nastao izravnim urušavanjem materije u prvim strukturama svemira.
Razlika je velika. U poznatijem scenariju crna rupa ostaje nakon smrti masivne zvijezde. Kod izravnog kolapsa nema takve zvijezde. Velik oblak plina u ranom svemiru urušava se izravno u crnu rupu. Takav objekt zato ne počinje kao ostatak jedne zvijezde, nego kao mnogo masivniji početak buduće supermasivne crne rupe.
Takav početak daje crnoj rupi veliku prednost. Ona ne kreće kao mali ostatak jedne zvijezde, nego kao mnogo masivniji početni objekt. Zato kasnije može izgledati preveliko za galaksiju u kojoj se nalazi, čak i ako nije rasla neobično brzo.
U toj slici važno mjesto imaju prvi haloi tamne tvari. To su rane gravitacijske strukture u kojima se skupljao plin i u kojima su se počele oblikovati prve galaksije. Ako se u takvom okruženju vrlo rano pojavi masivna crna rupa, cijeli sustav od početka može imati poremećen odnos između mase crne rupe i mase galaksije.
Nije nužno da je crna rupa gutala materiju nemogućom brzinom
Jedna od najvažnijih posljedica novog modela jest ono što ne traži. Ne mora se pretpostaviti da su te crne rupe dugo rasle ekstremno brzo, iznad granice koja se u astrofizici koristi za opis hranjenja crnih rupa.
Ta se granica naziva Eddingtonova granica. Ona opisuje ravnotežu između materije koja pada prema crnoj rupi i zračenja koje pritom nastaje. Ako zračenje postane prejako, može potiskivati okolni plin i usporiti daljnje hranjenje crne rupe.
Zato su rane, vrlo masivne crne rupe velik izazov. Ako su počele kao manji ostatci prvih zvijezda, morale bi rasti iznimno brzo da u tako kratkom vremenu dosegnu mase koje Webb danas opaža.
U novoj simulaciji to nije potrebno. Crna rupa može rasti tek oko polovicom Eddingtonove stope, a ipak završiti kao golemi objekt u odnosu na svoju galaksiju.
Naglasak se tada mijenja. Pitanje više nije samo kako je crna rupa tako brzo narasla. Jednako je važno zašto galaksija oko nje nije uspjela dovoljno brzo izgraditi zvijezde.
Galaksija je mogla zaostati već u prvim milijunima godina
U modelu koji predlaže istraživački tim, galaksija oko masivne crne rupe od početka ima težak zadatak. Crna rupa može zagrijavati i raspršivati hladan plin, a upravo je hladan plin potreban za stvaranje zvijezda. Kada ga nema dovoljno, galaksija sporije povećava svoju zvjezdanu masu.
Taj učinak dodatno su mogle pojačati prve zvijezde u svemiru, poznate kao zvijezde Populacije III. Prema teoriji, bile su vrlo masivne, živjele su kratko i mnoge su završavale kao snažne supernove. Njihove eksplozije mogle su iz mladih galaksija izbacivati plin i teže elemente, prekidajući nova razdoblja stvaranja zvijezda.
Tako nastaje neuravnotežen sustav. Crna rupa je već velika, a galaksija sporo gradi svoju zvjezdanu masu. Iz naše perspektive, više od 13 milijardi godina kasnije, takva crna rupa izgleda gotovo nemoguće velika za svoj galaktički dom.
To ne znači nužno da je crna rupa prekršila pravila rasta. Možda je galaksija jednostavno kasnila.
Webbovi objekti GHZ9 i UHZ1 uklapaju se u taj scenarij
Istraživači su svoj model usporedili s dvama ranim objektima koje je promatrao Webb, GHZ9 i UHZ1. Oba se nalaze na vrlo velikom crvenom pomaku, z = 10,4 i z = 10,1, što znači da ih vidimo u razdoblju kada je svemir bio još vrlo mlad.
Simulacije dobro odgovaraju spektrima tih objekata. To je važan dio priče, jer se scenarij ne oslanja samo na opću pretpostavku da su prve crne rupe mogle biti masivne. On pokušava objasniti konkretne Webbove opservacije.
Ako se ova interpretacija potvrdi, dio najzagonetnijih crnih rupa iz ranog svemira mogao bi dobiti prirodnije objašnjenje. One možda nisu narasle do golemih masa brzinom koju je teško održati kroz dugo razdoblje. Možda su prve supermasivne crne rupe imale masivne početne zametke već u vrijeme kada su se njihove galaksije tek počinjale sastavljati.
Webb je zato možda pronašao trag jednog od najranijih načina na koji su u svemiru nastali gravitacijski divovi. Ne crne rupe koje su tek postupno postale čudovišta, nego crne rupe koje su od samog početka imale veliku prednost.
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.
Izvori i publikacija
Muhammad A. Latif et al, How Overmassive Black Holes Formed at Cosmic Dawn
DOI: 10.48550/arxiv.2603.28682
Časopis / izvor: Astrophysical Journal Letters
