JWST vindt dat 'Little Red Dots' waarschijnlijk zwartgat-sterren zijn

Sinds de ingebruikname heeft de James Webb Space Telescope (JWST) ons begrip van het vroege heelal fundamenteel veranderd door beelden vast te leggen van mysterieuze, compacte en extreem rode objecten die in de volksmond bekendstaan als "Little Red Dots" (LRDs). Jarenlang debatteerden astronomen of deze bronnen met een hoge roodverschuiving (gevonden tussen $z \sim 2$ en $z \sim 9$) piepkleine, ultradichte sterrenstelsels waren of verborgen actieve galactische kernen (AGN). Een baanbrekende nieuwe studie onder leiding van onderzoekers waaronder Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan en Sandro Tacchella stelt een derde, meer exotische mogelijkheid voor: deze objecten zijn zwartgatsterren (BH*s), een overgangsfase waarin een groeiend zwart gat is gehuld in een massief, dicht omhulsel van gas dat het moederstelsel volledig overstraalt.

Wat heeft JWST ontdekt in het vroege heelal?

De James Webb Space Telescope (JWST) ontdekte een populatie van compacte objecten met een hoge roodverschuiving, bekend als "Little Red Dots", die opmerkelijk rood lijken in rust-optische golflengten. Deze bronnen, die dateren van slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal, vertonen extreme lichtkracht en compacte structuren die bestaande modellen van de vorming van sterrenstelsels en de groei van zwarte gaten uitdagen.

De ontdekking van deze objecten was onverwacht omdat hun spectrale kenmerken niet eenduidig overeenkwamen met bekende hemellichamen. Aanvankelijk concentreerde het debat zich op de vraag of de roodheid werd veroorzaakt door oude sterpopulaties in een rustend sterrenstelsel of door zware stofverduistering rond een centraal zwart gat. Het onderzoeksteam maakte gebruik van hoogwaardige NIRSpec/PRISM-spectra van een steekproef van 98 LRD's om dieper in deze "Little Red Dots" te duiken, op zoek naar het specifieke mechanisme achter hun intense energieproductie.

Om de ware aard van deze objecten te isoleren, ontwikkelden de onderzoekers een nieuw schema om de centrale motor te scheiden van het omringende moederstelsel. Ze gingen uit van de veronderstelling dat de [OIII] 5008Å-emissielijn uitsluitend voortkomt uit het interstellaire medium van het moederstelsel en niet uit de compacte kern. Door de bijdrage van het moederstelsel op basis van deze lijn af te trekken, onthulde het team de onderliggende spectrale energieverdeling (SED) van het "hart" van de LRD, wat het eerste bewijs op populatieniveau leverde voor zwartgatsterren.

Zijn Little Red Dots daadwerkelijk zwartgatsterren?

Bewijs suggereert dat veel Little Red Dots inderdaad worden aangedreven door zwartgatsterren, wat centrale singulariteiten zijn gehuld in dikke, ondoorzichtige gasomhulsels. Na aftrek van het licht van het moederstelsel ontdekten onderzoekers dat de overgebleven kern lijkt op een zwartlichaam-achtige SED met een temperatuur van ongeveer 4.050 K, wat veel meer in overeenstemming is met een gasvormig omhulsel dan met een traditioneel sterrenstelsel.

Het "zwartgatster"-model, vaak aangeduid als een quasister, beschrijft een unieke toestand van materie waarin een zwart gat in een versneld tempo groeit binnen een massief, hydrostatisch omhulsel. De studie wees uit dat de mediaan van deze LRD's (na aftrek van het moederstelsel) een Balmer-sprong vertoont die meer dan twee keer zo sterk is als die in massieve rustende sterrenstelsels. Dit specifieke kenmerk is een "kenmerkende signatuur" van dichte gasomhulsels, in plaats van het licht van oude sterren, wat aangeeft dat het zwart gat de primaire bron van het waargenomen licht is.

Volgens de bevindingen van Brammer, Natarajan en Tacchella zijn deze zwartgatsterren ongelooflijk lichtsterk, met een bolometrische lichtkracht van $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ erg s$^{-1}$ and een effectieve straal van ongeveer 1.300 au. De studie geeft aan dat in een typische LRD de zwartgatster verantwoordelijk is voor:

• Ongeveer 20% van de ultraviolette (UV) straling.
• Ongeveer 50% van het licht bij de Balmer-sprong.
• Bijna 90% van het licht bij golflengten langer dan H$\alpha$.

Hoe groeit een zwart gat binnen een gasomhulsel?

Een zwart gat groeit binnen een gasomhulsel door massa te accreteren met snelheden die de standaard Eddington-limiet overschrijden, terwijl het omringende gas de resulterende straling vasthoudt. Dit creëert een dichte cocon onder druk, waar de inwaartse zwaartekracht in evenwicht wordt gehouden door de uitwaartse druk van de energie van het zwart gat, wat resulteert in een stabiele maar tijdelijke "ster-achtige" structuur.

De spectroscopische gegevens ondersteunen dit model van "gehuld" groei door de waarneming van een steil Balmer-decrement ($H\alpha/H\beta > 10$). Een dergelijke hoge ratio duidt op een sterk verduisterde en dichte omgeving, waar stof en gas het licht dat uit het binnenste ontsnapt aanzienlijk roder maken. Verder detecteerde het team talrijke dichtheidsgevoelige kenmerken, waaronder emissielijnen van FeII, HeI en OI, die zelden worden gezien in standaard sterrenstelsels maar karakteristiek zijn voor gaswolken met een hoge dichtheid rond een krachtige energiebron.

Het onderzoek stelt dat deze zwartgatsterren bij voorkeur voorkomen in sterrenstelsels met een lage massa ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) die onlangs intense stervormingspieken (starbursts) hebben ondergaan. De aanwezigheid van extreme equivalentbreedtes van emissielijnen—zoals [OIII] 5008Å bij 1100Å en CIII] bij 12Å—suggereert een sterke link tussen snelle stervorming en de geboorte van deze massieve zwarte gat-kiemen. Deze omgeving biedt het noodzakelijke reservoir van gas om het omhulsel in stand te houden tijdens de initiële expansie van het zwart gat.

Gevolgen voor de vroege groei van superzware zwarte gaten

De ontdekking van de zwartgatster-fase heeft diepgaande gevolgen voor de vraag hoe de eerste superzware zwarte gaten in het universum zich zo snel konden vormen. Standaard accretienmodellen hebben vaak moeite om uit te leggen hoe zwarte gaten binnen de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis miljarden zonsmassa's bereikten. Het zwartgatster-mechanisme maakt echter snelle, "super-Eddington"-groei mogelijk terwijl het object verduisterd blijft, effectief aan het zicht onttrokken totdat het omhulsel uiteindelijk verdwijnt.

De onderzoekers schatten dat deze objecten een relatief korte duty cycle van ongeveer 1% hebben, wat een levensduur van ongeveer 10 miljoen jaar impliceert. Ondanks deze vergankelijkheid suggereren de gegevens dat zwartgatsterren zo algemeen voorkomen in het vroege heelal dat bijna elk massief zwart gat dat we vandaag zien, ooit door deze "Little Red Dot"-fase kan zijn gegaan. Dit suggereert dat LRD's geen evolutionair doodlopend spoor zijn, maar eerder een universele "groeispurt" voor zwarte gaten.

Vooruitkijkend zullen toekomstige waarnemingen met de James Webb Space Telescope zich waarschijnlijk richten op "blue broad-line AGN", waarvan de onderzoekers geloven dat dit de fase is die volgt op de zwartgatster zodra het dichte gasomhulsel begint op te lossen. Door de overgang van door gas omhulde "stippen" naar lichtsterke, onverhulde quasars te bestuderen, hopen astronomen de volledige levenscyclus van de meest massieve bewoners van het universum in kaart te brengen, van de kosmische dageraad tot het heden.