JWST odkrywa, że „małe czerwone kropki” to najprawdopodobniej gwiazdy czarnodziurowe

Od momentu uruchomienia **Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST)** fundamentalnie zmienił nasze rozumienie wczesnego wszechświata, rejestrując obrazy tajemniczych, zwartych i ekstremalnie czerwonych obiektów, potocznie zwanych **„Małymi Czerwonymi Kropkami” (Little Red Dots – LRDs)**. Przez lata astronomowie debatowali, czy te źródła o dużym przesunięciu ku czerwieni (znajdujące się między $z \sim 2$ a $z \sim 9$) są maleńkimi, ultragęstymi galaktykami, czy też przesłoniętymi aktywnymi jądrami galaktyk (AGN). Przełomowe nowe badanie, prowadzone przez naukowców, wśród których są **Gabriel Brammer**, **Priyamvada Natarajan** i **Sandro Tacchella**, proponuje trzecią, bardziej egzotyczną możliwość: obiekty te to **gwiazdy z czarną dziurą** (BH*s), będące przejściową fazą, w której rosnąca **czarna dziura** jest spowita w masywną, gęstą otoczkę gazu, która całkowicie przyćmiewa galaktykę macierzystą.

Co JWST odkrył we wczesnym wszechświecie?

**Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkrył populację obiektów o dużym przesunięciu ku czerwieni, znanych jako „Małe Czerwone Kropki”, które wydają się uderzająco czerwone w optycznych długościach fal w układzie spoczynkowym**. Źródła te, datowane na zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, wykazują ekstremalne jasności i zwartą strukturę, co rzuca wyzwanie istniejącym modelom powstawania galaktyk i wzrostu **czarnych dziur**.

Odkrycie tych obiektów było nieoczekiwane, ponieważ ich sygnatury widmowe nie pasowały do znanych ciał niebieskich. Początkowo debata koncentrowała się na tym, czy czerwień była spowodowana przez stare populacje gwiazd w **galaktyce spokojnej**, czy też przez gęsty pył przesłaniający centralną **czarną dziurę**. Zespół badawczy wykorzystał wysokiej jakości widma **NIRSpec/PRISM** z próby 98 LRD, aby głębiej zbadać te „Małe Czerwone Kropki”, szukając konkretnego mechanizmu napędzającego ich intensywną emisję energii.

Aby wyizolować prawdziwą naturę tych obiektów, badacze opracowali nowatorski schemat oddzielenia silnika centralnego od otaczającej go **galaktyki macierzystej**. Przyjęli oni założenie, że linia emisyjna **[OIII] 5008Å** pochodzi wyłącznie z ośrodka międzygwiazdowego galaktyki macierzystej, a nie ze zwartego jądra. Poprzez odjęcie wkładu galaktyki macierzystej na podstawie tej linii, zespół ujawnił podstawowy widmowy rozkład energii (SED) „serca” LRD, co dostarczyło pierwszych dowodów na poziomie populacji na istnienie **gwiazd z czarną dziurą**.

Czy Małe Czerwone Kropki to w rzeczywistości Gwiazdy z Czarną Dziurą?

**Dowody sugerują, że wiele Małych Czerwonych Kropek jest w rzeczywistości zasilanych przez gwiazdy z czarną dziurą, które są centralnymi osobliwościami otoczonymi grubymi, nieprzezroczystymi otoczkami gazowymi**. Po odjęciu światła galaktyki macierzystej badacze stwierdzili, że pozostałe jądro przypomina **SED typu ciała doskonale czarnego** o temperaturze około 4050 K, co jest znacznie bardziej spójne z gazową otoczką niż z tradycyjną galaktyką.

Model „gwiazdy z czarną dziurą”, często określany mianem **kwazigwiazdy**, opisuje unikalny stan materii, w którym **czarna dziura** rośnie w przyspieszonym tempie wewnątrz masywnej, hydrostatycznej otoczki. Badanie wykazało, że po odjęciu wpływu galaktyki macierzystej mediana widm tych LRD wykazuje **skok Balmera** ponad dwukrotnie silniejszy niż ten występujący w masywnych galaktykach spokojnych. Ta specyficzna cecha jest „charakterystyczną sygnaturą” gęstych otoczek gazowych, a nie światła starych gwiazd, co wskazuje, że to **czarna dziura** jest głównym źródłem obserwowanego światła.

Zgodnie z wynikami prac **Brammera**, **Natarajan** i **Tacchelli**, te **gwiazdy z czarną dziurą** są niesamowicie jasne, o jasności bolometrycznej $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ erg s$^{-1}$ i promieniu efektywnym około 1300 au. Badanie wskazuje, że w typowej LRD **gwiazda z czarną dziurą** odpowiada za:

• Około 20% emisji w nadfiolecie (UV).
• Mniej więcej 50% światła przy **skoku Balmera**.
• Prawie 90% światła przy długościach fal większych niż H$\alpha$.

Jak czarna dziura rośnie wewnątrz otoczki gazowej?

**Czarna dziura rośnie wewnątrz otoczki gazowej poprzez akrecję masy w tempie przekraczającym standardową granicę Eddingtona, podczas gdy otaczający gaz zatrzymuje powstające promieniowanie**. Tworzy to gęsty kokon pod ciśnieniem, w którym przyciąganie grawitacyjne jest równoważone przez wypychające ciśnienie energii **czarnej dziury**, co skutkuje stabilną, ale przejściową strukturą „gwiazdopodobną”.

Dane spektroskopowe wspierają ten model „ukrytego” wzrostu poprzez obserwację stromo opadającego **dekrementu Balmera** ($H\alpha/H\beta > 10$). Tak wysoki stosunek sugeruje bardzo przesłonięte i gęste środowisko, w którym pył i gaz znacząco zaczerwieniają światło uciekające z wnętrza. Ponadto zespół wykrył liczne **cechy czułe na gęstość**, w tym linie emisyjne **FeII**, **HeI** i **OI**, które są rzadko spotykane w standardowych galaktykach, ale są charakterystyczne dla chmur gazu o wysokiej gęstości otaczających potężne źródło energii.

Badanie stawia tezę, że te **gwiazdy z czarną dziurą** znajdują się głównie w galaktykach o małej masie ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$), które niedawno przeszły intensywne procesy gwiazdotwórcze. Obecność ekstremalnych szerokości równoważnych linii emisyjnych – takich jak **[OIII] 5008Å** przy 1100Å i **CIII]** przy 12Å – sugeruje silny związek między gwałtownym formowaniem się gwiazd a narodzinami tych masywnych zarodków **czarnych dziur**. Środowisko to zapewnia niezbędny rezerwuar gazu do utrzymania otoczki podczas początkowej ekspansji **czarnej dziury**.

Implikacje dla wzrostu wczesnych supermasywnych czarnych dziur

Odkrycie fazy **gwiazdy z czarną dziurą** ma głębokie znaczenie dla zrozumienia tego, jak pierwsze supermasywne **czarne dziury** we wszechświecie powstały tak szybko. Standardowe modele akrecji często mają trudności z wyjaśnieniem, w jaki sposób **czarne dziury** osiągnęły masy miliardów słońc w ciągu pierwszego miliarda lat historii kosmosu. Jednak mechanizm **gwiazdy z czarną dziurą** pozwala na gwałtowny wzrost „ponadeddingtonowski”, podczas gdy obiekt pozostaje przesłonięty, skutecznie ukryty przed wzrokiem, dopóki otoczka ostatecznie się nie rozproszy.

Badacze szacują, że obiekty te mają stosunkowo krótki **cykl pracy** wynoszący około 1%, co oznacza czas życia rzędu **10 milionów lat**. Pomimo tej przejściowości, dane sugerują, że **gwiazdy z czarną dziurą** są tak powszechne we wczesnym wszechświecie, że niemal każda masywna **czarna dziura** widoczna dzisiaj mogła kiedyś przejść przez tę fazę „Małej Czerwonej Kropki”. Sugeruje to, że LRD nie są ewolucyjną ślepą uliczką, lecz powszechnym „skokiem wzrostu” dla **czarnych dziur**.

Wybiegając w przyszłość, przyszłe obserwacje za pomocą **Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba** prawdopodobnie skupią się na „niebieskich AGN-ach o szerokich liniach”, które zdaniem badaczy mogą być fazą następującą po **gwiazdach z czarną dziurą**, gdy gęsta otoczka gazowa zacznie się rozpraszać. Studiując przejście od spowitych gazem „kropek” do jasnych, nieprzesłoniętych kwazarów, astronomowie mają nadzieję na zmapowanie całego cyklu życia najmasywniejszych mieszkańców wszechświata od kosmicznego świtu do dnia dzisiejszego.