Zračenje koje otkriva crnu rupu prije nego što postane crna rupa

Kako pronaći crnu rupu prije nego što postane crna rupa?

---

Još dok svemir nije navršio ni 750 milijuna godina, u njegovim najranijim galaksijama već su postojale crne rupe mase veće od milijardu Sunca. Njihova iznenadna pojava i golema masa među najdubljim su zagonetkama moderne astrofizike. Sada, uz pomoć Svemirskog teleskopa James Webb, znanstvenici možda po prvi put mogu vidjeti kako se ti gravitacijski divovi rađaju — kroz specifičan trag svjetlosti koji se pojavljuje u trenutku njihova nastanka.

U uobičajenim scenarijima crna rupa nastaje kada masivna zvijezda potroši gorivo, uruši se pod vlastitom težinom i ostavi za sobom objekt nekoliko puta teži od Sunca. Ali da bi se takva zvjezdana jezgra pretvorila u crnu rupu mase milijardu Sunca — i to u samo nekoliko stotina milijuna godina — trebala bi hraniti nevjerojatno brzo, i to bez prestanka. Takva brzina akrecije jednostavno nije moguća u uvjetima koje poznajemo.

Ideja izravnog kolapsa: rođenje bez zvijezda

Nova hipoteza nudi radikalno drukčiji put: u određenim dijelovima ranog svemira golemi oblaci primordijalnog plina možda su se izravno urušavali u crne rupe, bez da su prethodno stvorili zvijezde. Taj proces naziva se izravni kolaps (direct collapse), a proizvodi takozvane sjemenske crne rupe mase od 100.000 do 10 milijuna Sunčevih masa. Takvi objekti bi onda mogli vrlo brzo narasti do supermasivnih razmjera.

Da bi do izravnog kolapsa uopće došlo, oblak plina mora ostati na temperaturi oko 10.000 Kelvina — dovoljno vruć da se ne raspadne u manje guste regije koje bi stvorile zvijezde. U takvim uvjetima, čitav oblak može se urušiti u gustu jezgru iz koje se rađa crna rupa.

Svjetlost koja otkriva ono što još nije crna rupa

Fizičari Yang Luo i Isaac Shlosman sa Sveučilišta Kentucky objavili su na otvorenom serveru arXiv istraživanje koje pokazuje kako bi taj kolaps mogao emitirati vrlo specifičan svjetlosni potpis: Lyman-alfa zračenje. Riječ je o svjetlosti koju emitiraju atomi vodika dok hlade oblak tijekom kolapsa, apsorbirajući i ponovno isijavajući ultraljubičaste fotone.

Stariji modeli tvrdili su da bi ta svjetlost bila zarobljena unutar oblaka i poništena kvantnim efektima. No novi pristup koristi sofisticirane računalne simulacije koje pokazuju kako se plin rotira i formira disk oko buduće crne rupe. Uzduž osi rotacije stvaraju se dva konusna kanala — svojevrsni svemirski “dimnjaci” — kroz koje Lyman-alfa fotoni mogu slobodno pobjeći.

Prema izračunima, čak 95% te svjetlosti moglo bi se osloboditi i doći do nas, s crvenim pomakom koji odgovara udaljenostima većim od 13 milijardi svjetlosnih godina — kada je svemir bio star tek 500 milijuna godina.

Potpis koji se ne može zamijeniti ni sa čim drugim

Ono što ovaj signal čini posebnim nije samo njegova prisutnost, nego i oblik. Zračenje iz objekata u izravnom kolapsu ostavlja izrazito asimetrične spektralne linije, s produljenim “repovima” u crvenom dijelu spektra. Takvi tragovi ne nalikuju ničemu što vidimo kod običnih galaksija, kvazara ili zvjezdanih sustava.

Svemirski teleskop James Webb, koristeći svoj instrument NIRSpec u načinu višestruke spektroskopije, mogao bi otkriti takav potpis već nakon 10.000 sekundi promatranja.

Ključni izazov leži u trenutku: taj svjetlosni signal pojavljuje se u vrlo uskom vremenskom okviru — između trenutka urušavanja oblaka i stvaranja prave crne rupe. Uloviti ga znači imati sreće, strpljenja i sofisticirane promatračke strategije.

Ako se Lyman-alfa zračenje iz objekata u izravnom kolapsu zaista detektira, to bi bio prvi izravni dokaz da crne rupe mogu nastati bez posredovanja zvijezda. Otvorilo bi se novo poglavlje u razumijevanju ne samo crnih rupa, već i načina na koji su se strukture ranog svemira — galaksije, jata i kozmičke mreže — gradile oko tih nevidljivih gravitacijskih jezgri.