Podaci Svemirskog teleskopa James Webb (JWST) otkrili su ekstreman primjer tzv. malih crvenih točaka – udaljenih i neobičnih objekata koji su izmaknuli Hubbleu. Prema analizama, riječ bi mogla biti o sasvim novoj klasi aktivnih galaktičkih jezgri okruženih gustim plinskim omotačem.
U ljeto 2022., manje od mjesec dana nakon što je JWST započeo s radom, astronomi su na njegovim snimkama primijetili sitne, ali izrazito crvene objekte. Pokazalo se da ih ima mnogo, a zahvaljujući osjetljivosti Webbovih instrumenata bili su jasno vidljivi.
Ovi objekti, nazvani male crvene točke, nisu mogli biti uočeni teleskopom Hubble jer zrače dominantno u srednjem infracrvenom području, na valnim duljinama duljim od 10 mikrometara, izvan Hubbleovih mogućnosti. JWST je upravo konstruiran da pokrije to područje.
Mjerenja su pokazala da su ti objekti nevjerojatno udaljeni. Svjetlost najbližih do nas putuje više od 12 milijardi godina, pa ih promatramo onakve kakvi su bili svega 1,8 milijardi godina nakon Velikog praska.
Za ispravno tumačenje takvih opažanja astronomi se oslanjaju na provjerene modele. Zvijezde, primjerice, definiramo kao goleme plazmene kugle koje pod djelovanjem gravitacije proizvode energiju nuklearnom fuzijom. Njihov izgled i spektar dobro su opisani tim modelima, što omogućuje pouzdano prepoznavanje.
Male crvene točke, međutim, nisu se uklapale ni u jednu poznatu kategoriju. Prva hipoteza bila je da se radi o galaksijama iznimno bogatima zvijezdama, čiju je svjetlost dodatno pocrvenjela prašina.
No takva bi interpretacija zahtijevala gotovo nevjerojatne gustoće zvijezda. Dok bi u našem Sunčevom susjedstvu unutar volumena od jedne kubične svjetlosne godine postojala samo jedna zvijezda, u tim bi galaksijama isti prostor sadržavao stotine tisuća zvijezda.
Čak ni središte Mliječne staze, koje je najgušći dio naše galaksije, ne približava se tim vrijednostima, gustoća tamošnjih zvijezda i dalje je tisuću puta manja od one potrebne. Prema ovim modelima, takve bi galaksije morale sadržavati stotine milijardi Sunčevih masa u zvijezdama i to manje od milijardu godina nakon Velikog praska. Takav scenarij teško se uklapa u postojeće teorije o razvoju galaksija.
Suautorica Bingjie Wang (Sveučilište Penn State) naglasila je da bi “noćno nebo u takvoj galaksiji bilo nevjerojatno svijetlo” te da bi takvo objašnjenje podrazumijevalo procese stvaranja zvijezda kakvi do danas nisu nigdje opaženi.
Rasprava: galaksije ili aktivne jezgre?
Znanstvena se zajednica ubrzo podijelila u dva tabora. Jedni su tvrdili da male crvene točke predstavljaju galaksije prepune zvijezda čija je svjetlost zatamnjena i zacrvenjena prašinom. Drugi su smatrali da je riječ o aktivnim galaktičkim jezgrama, supermasivnim crnim rupama okruženima akrecijskim diskovima, također zaklonjenima prašinom.
No, spektri tih objekata nisu odgovarali onome što se ranije opažalo kod prašinom zaklonjenih aktivnih jezgri. Osim toga, takvo bi tumačenje zahtijevalo neuobičajeno velike mase crnih rupa, i to u velikom broju, što se teško uklapalo u dosadašnje spoznaje.
Postalo je jasno da su za napredak potrebni novi podaci, ponajprije detaljni spektri. Budući da je vrijeme opažanja na James Webbu ograničeno i vrlo traženo, timovi diljem svijeta počeli su predlagati projekte kako bi došli do potrebnih mjerenja.
Jedan od uspješnih bio je program RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), koji je osmislila Anna de Graaff s Max Planck Instituta za astronomiju u Heidelbergu zajedno s međunarodnim suradnicima.
Tijekom 2024. teleskop je u gotovo 60 sati promatranja prikupio spektre za 4500 udaljenih galaksija, jedan od najvećih spektroskopskih skupova podataka JWST-a do sada.
U toj je analizi pronađeno 35 malih crvenih točaka. Većina je bila poznata s ranijih snimaka JWST-a, ali neki su objekti bili novi i pokazali su se najekstremnijima. Posebno se izdvajao jedan na crvenom pomaku z=3,55, čija je svjetlost do nas putovala 11,9 milijardi godina.
Analiza je otkrila izrazito strm Balmerov prijelom: porast svjetline koji se u izvornom ultraljubičastom području, zbog širenja svemira, rastegnuo gotovo pet puta i danas ga vidimo u infracrvenom dijelu spektra.
Takvi se prijelomi najčešće opažaju u galaksijama s vrlo slabim stvaranjem novih zvijezda, ali tada imaju blagi oblik. Ovdje je prijelom bio izrazito naglašen, što nije odgovaralo poznatim objašnjenjima.
De Graaff i njezin tim testirali su sve postojeće modele, i one koji pretpostavljaju masivne galaksije bogate zvijezdama, i one koji uključuju prašinom zaklonjene aktivne jezgre. Nijedan od njih nije uspio vjerno reproducirati opaženi spektar.
Novi model: ‘black hole star’ (BH*)
Nakon što nijedan postojeći scenarij nije uspio objasniti opaženi spektar, istraživači su predložili novo tumačenje – koncept koji nazivaju “black hole star” (BH*). Riječ je o supermasivnoj crnoj rupi s akrecijskim diskom, potpuno uronjenoj u gusti plinski omotač, a ne zaklonjenoj slojem prašine.
Takav objekt, naravno, nije zvijezda u klasičnom smislu jer u njegovu središtu ne postoji nuklearna fuzija. No ponaša se na sličan način: energija akrecijskog diska zagrijava plinski omotač, koji potom zrači prema van i stvara spektar nalik zvjezdanome. Razlika je u tome što je taj omotač daleko gušći i turbulentniji nego u bilo kojem poznatom zvjezdanom sustavu.
Model BH* znatno bolje objašnjava opažene značajke, uključujući i izrazito strm Balmerov prijelom. Prema ovom scenariju, ekstremni crveni objekt predstavlja slučaj u kojem svjetlost iz BH* potpuno dominira, dok se kod drugih malih crvenih točaka ona miješa sa zračenjem zvijezda i plina u njihovim galaksijama.
Ako se model potvrdi, mogao bi riješiti i jedno od ključnih pitanja kozmologije: kako su crne rupe u ranom svemiru uspjele narasti tako brzo. Teorijski radovi na srednje masivnim crnim rupama već su pokazali da konfiguracija crne rupe s gustim plinskim omotačem može omogućiti iznimno brzu akreciju. JWST sada donosi izravne dokaze da su masivne crne rupe postojale vrlo rano, a ako su objekti tipa BH* bili česti, mogli su odigrati presudnu ulogu u formiranju prvih galaksija.
Unatoč obećavajućim rezultatima, brojna pitanja ostaju otvorena: kako nastaju takvi objekti, na koji način uspijevaju održati plinski omotač unatoč stalnom usisavanju materije i koji procesi točno oblikuju njihove spektre?
Odgovore će dati kombinacija novih teorijskih modela i dodatnih opažanja. Tim Anne de Graaff već ima odobreno dodatno vrijeme na JWST-u za detaljno proučavanje malih crvenih točaka, uključujući i ekstremni primjer na crvenom pomaku z=3,55.
Rezultati tih istraživanja pokazat će jesu li objekti tipa BH* doista ključ za razumijevanje brzog razvoja ranih galaksija, ili tek privremeno objašnjenje koje će otvoriti nova pitanja u kozmologiji.
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.
