Svemirski teleskop James Webb otkrio je MoM-BH*-1, neobičan objekt iz vremena kada je svemir bio star samo 660 milijuna godina. Astronomi smatraju da gledaju crnu rupu skrivenu unutar iznimno gustog plinskog omotača koji cijelom sustavu daje neka obilježja goleme zvijezde, zbog čega su ga nazvali “zvijezdom crne rupe”.
Na Webbovoj snimci MoM-BH*-1 izgleda kao sićušna crvena točka. Njegov spektar, međutim, pokazuje nešto što astronomi dosad nisu pronašli ni kod običnih zvijezda ni kod poznatih aktivnih galaktičkih jezgri. Objekt istodobno nosi obilježja guste zvjezdane atmosfere i snažnog izvora energije kakav se očekuje oko crne rupe.
Tim predvođen Rohanom Naiduom, astronomom s MIT-a, zaključuje da je najvjerojatnije riječ o rastućoj crnoj rupi obavijenoj golemom količinom vrlo gustog vodika. Materija koja pada prema crnoj rupi oslobađa energiju, dok okolni plin tu svjetlost apsorbira, raspršuje i ponovno emitira. Izdaleka cijela struktura zbog toga može izgledati poput goleme zvijezde, iako energija ne nastaje nuklearnom fuzijom.
Naziv “zvijezda crne rupe” stoga ne opisuje zvijezdu koja u sebi jednostavno skriva crnu rupu. Riječ je o predloženoj vrsti objekta u kojem rastuća crna rupa predstavlja središnji izvor energije, a gusti plin oko nje ponaša se poput svojevrsne zvjezdane atmosfere. Istraživači smatraju da bi MoM-BH*-1 mogao biti prvi posebno čist primjer takve konfiguracije.
Spektar koji obične zvijezde ne mogu objasniti
MoM-BH*-1 pronađen je u sklopu Webbova programa “Mirage or Miracle“, usmjerenog na proučavanje iznimno udaljenih objekata iz ranog svemira. U širokom promatranom području isticao se kao najcrveniji izvor. Webb ga jasno vidi na duljim infracrvenim valnim duljinama, dok na kraćima gotovo nestaje.
Spektroskopija instrumentom NIRSpec pokazala je zašto. Svjetlost objekta prolazi kroz iznimno snažan Balmerov skok, naglu promjenu u spektru povezanu s načinom na koji vodik apsorbira svjetlost. Balmerov skok poznat je iz zvjezdanih atmosfera, ali kod MoM-BH*-1 njegova izmjerena jačina iznosi oko 7,7. Teorijski maksimum za tipičnu populaciju zvijezda je približno tri, dok bi čak i ekstreman slučaj sastavljen samo od zvijezda tipa A ostao ispod pet.
“To je najdublji takav prijelom koji smo ikada vidjeli u nekom objektu”, objasnio je Naidu u objavi MIT-a. Prema njegovim riječima, takav rezultat praktično isključuje običnu populaciju zvijezda kao glavni izvor opažene svjetlosti.
Webb je istodobno zabilježio snažnu apsorpciju vodika Hβ i Hγ te vrlo široku emisijsku liniju Hβ. Takva kombinacija zahtijeva iznimno gust plin. Autori procjenjuju da gustoća vodika mora prelaziti milijardu atoma po kubičnom centimetru, dok njihov reprezentativni model koristi gustoću od oko 10¹¹ atoma po kubičnom centimetru.
Crna rupa skrivena u golemom omotaču vodika
Astronomi su zatim izradili gotovo milijun modela kako bi pronašli fizičku konfiguraciju koja može istodobno objasniti boju objekta, Balmerov skok, apsorpcijske linije i njegovo slabo ultraljubičasto zračenje. Najbolje se pokazao model aktivne crne rupe smještene unutar vrlo gustog i turbulentnog plina.
Važan rezultat jest da za izrazito crvenu boju MoM-BH*-1 nije potrebna velika količina prašine. U modelu je prašine vrlo malo. Crvenilo ponajprije nastaje zbog neprozirnosti gustog vodika koji okružuje središnji izvor energije.
Plinski omotač mogao bi se protezati na približno 10 do 100 astronomskih jedinica. Jedna astronomska jedinica odgovara prosječnoj udaljenosti Zemlje od Sunca, pa govorimo o strukturi usporedivoj s razmjerima Sunčeva sustava. U reprezentativnom modelu prikazanom u radu gusti plin proteže se oko 40 astronomskih jedinica od središnjeg izvora.
Masa same crne rupe još nije pouzdano određena. To je važna ograda koju popularni prikazi otkrića lako izgube. Standardne metode, koje masu procjenjuju iz širine emisijskih linija, u ovakvom okruženju mogu dati previsoke vrijednosti jer raspršenje svjetlosti u gustom plinu mijenja izgled linija. Autori zato navode da se procjene moraju promatrati samo kao red veličine. Njihovi modeli upućuju na crnu rupu mase približno nekoliko milijuna Sunčevih masa, dok bi u nekim scenarijima vrijednost mogla biti niža ili viša.
Moguće objašnjenje Webbovih “malih crvenih točaka”
Otkriće je posebno zanimljivo zbog zagonetnih objekata koje je Webb počeo pronalaziti gotovo odmah nakon početka znanstvenih promatranja. Astronomi ih nazivaju “malim crvenim točkama” jer na snimkama izgledaju kompaktno i izrazito crveno. Mnoge pokazuju znakove aktivnih crnih rupa, ali istodobno nemaju sva svojstva klasičnih kvazara.
Kozmos.hr je u lipnju pisao o dosad najčvršćim tragovima za “zvijezde crne rupe”, kada je detaljan Webbov spektar objekta GLIMPSE-17775 pokazao da se barem iza nekih malih crvenih točaka mogu skrivati rastuće crne rupe uronjene u vrlo gust plin.
MoM-BH*-1 pruža još čišći pogled na takav središnji izvor jer njegova svjetlost gotovo potpuno nadjačava galaksiju u kojoj se nalazi. Istraživači pokazuju da bi se, kada bi se njegov spektar spojio sa svjetlošću obližnje galaksije koja stvara zvijezde, dobio karakterističan spektar kakav se opaža kod tipičnih malih crvenih točaka.
To ne znači da je objašnjena svaka mala crvena točka koju je Webb pronašao. Drugi modeli povezuju ih s kratkim fazama izrazito brzog rasta mladih crnih rupa, a postoji i više drugih predloženih scenarija. MoM-BH*-1 ipak pokazuje da crna rupa okružena iznimno gustim plinom može proizvesti upravo onu neobičnu kombinaciju spektralnih obilježja koja je astronomima godinama stvarala problem.
Trag prema nastanku prvih velikih crnih rupa
Još veće pitanje odnosi se na podrijetlo prvih supermasivnih crnih rupa. Astronomi već poznaju crne rupe s približno milijardu Sunčevih masa iz vremena kada svemir još nije bio star ni 700 milijuna godina. Njihov tako brz rast teško je objasniti ako se krene od malih crnih rupa nastalih smrću prvih zvijezda.
Teorijski modeli zato već dugo razmatraju crne rupe uronjene u velike količine gustog plina. U takvim uvjetima dio zračenja nastalog akrecijom može ostati zarobljen, čime se smanjuje njegova sposobnost da zaustavi daljnje dotjecanje materije. Crna rupa tada može prolaziti kroz razdoblja rasta brža od klasične Eddingtonove granice. Autori smatraju da MoM-BH*-1 pokazuje nekoliko obilježja očekivanih upravo u takvom scenariju.
Za sada, međutim, nastanak samog MoM-BH*-1 ostaje otvoreno pitanje. Autori naglašavaju da je njihov model pojednostavljen i da opažanja još ne omogućuju potpuni opis geometrije plina ni preciznu masu središnje crne rupe. Ono što Webb pokazuje mnogo je čvršće: u svemiru starom samo 660 milijuna godina postojao je kompaktan izvor čiju svjetlost obične zvijezde ne mogu objasniti i koji vrlo uvjerljivo izgleda kao rastuća crna rupa skrivena unutar golemog, gustog plinskog omotača.
