JWST: ”Små röda prickar” är sannolikt svarta hål-stjärnor

Sedan dess driftsättning har James Webb Space Telescope (JWST) i grunden förändrat vår förståelse av det tidiga universumet genom att fånga bilder av mystiska, kompakta och extremt röda objekt, i folkmun kallade "små röda prickar" (Little Red Dots, LRDs). Under flera år har astronomer debatterat huruvida dessa källor med hög rödförskjutning (funna mellan $z \sim 2$ och $z \sim 9$) var pyttesmå, ultratäta galaxer eller skymda aktiva galaxkärnor (AGN). En banbrytande ny studie ledd av forskare som Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan och Sandro Tacchella föreslår en tredje, mer exotisk möjlighet: att dessa objekt är svarta hål-stjärnor (BH*s), en övergående fas där ett växande svart hål är inneslutet i ett massivt, tätt hölje av gas som helt överstrålar sin värdgalax.

Vad hittade JWST i det tidiga universumet?

James Webb Space Telescope (JWST) upptäckte en population av kompakta objekt med hög rödförskjutning, kända som "små röda prickar", vilka framstår som anmärkningsvärt röda i optiska våglängder i sitt vilosystem. Dessa källor, som dateras till bara några hundra miljoner år efter Big Bang, uppvisar extrema luminositeter och kompakta strukturer som utmanar befintliga modeller för galaxbildning och tillväxt av svarta hål.

Upptäckten av dessa objekt var oväntad eftersom deras spektrala signaturer inte stämde överens med kända himlakroppar. Inledningsvis fokuserade debatten på om rödheten orsakades av uråldriga stjärnpopulationer i en vilande galax eller av kraftig stoftskymning runt ett centralt svart hål. Forskarlaget använde högupplösta NIRSpec/PRISM-spektra från ett urval av 98 LRD:er för att titta närmare på dessa "små röda prickar" i jakt på den specifika mekanism som driver deras intensiva energiutstrålning.

För att isolera objektens sanna natur utvecklade forskarna en ny metod för att skilja den centrala motorn från den omgivande värdgalaxen. De utgick från antagandet att emissionslinjen [OIII] 5008Å uteslutande härrör från värdgalaxens interstellära medium snarare än från den kompakta kärnan. Genom att subtrahera värdgalaxens bidrag baserat på denna linje kunde teamet blottlägga den underliggande spektrala energifördelningen (SED) i LRD-objektets "hjärta", vilket gav de första bevisen på populationsnivå för svarta hål-stjärnor.

Är de små röda prickarna egentligen svarta hål-stjärnor?

Bevis tyder på att många små röda prickar faktiskt drivs av svarta hål-stjärnor, vilka är centrala singulariteter omslutna av tjocka, ogenomskinliga gashöljen. Efter att ha subtraherat ljuset från värdgalaxen fann forskarna att den återstående kärnan liknar en svartkroppsliknande SED med en temperatur på cirka 4 050 K, vilket är betydligt mer förenligt med ett gashölje än med en traditionell galax.

Modellen för en "svart hål-stjärna", ofta kallad en kvasistjärna, beskriver ett unikt tillstånd där ett svart hål växer i accelererad takt inuti ett massivt, hydrostatiskt hölje. Studien fann att den värdsubtraherade mediantabellen för dessa LRD:er uppvisar ett Balmer-språng som är mer än dubbelt så starkt som de som återfinns i massiva vilande galaxer. Detta specifika drag är ett karaktäristiskt signum för täta gashöljen, snarare än ljus från gamla stjärnor, vilket tyder på att det svarta hålet är den primära källan till det observerade ljuset.

Enligt fynden från Brammer, Natarajan och Tacchella är dessa svarta hål-stjärnor otroligt luminösa, med en bolometrisk luminositet på $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ erg s$^{-1}$ och en effektiv radie på cirka 1 300 au. Studien indikerar att i en typisk LRD står svarta hål-stjärnan för:

• Cirka 20 % av den ultravioletta (UV) emissionen.
• Ungefär 50 % av ljuset vid Balmer-språnget.
• Närmare 90 % av ljuset vid våglängder längre än H$\alpha$.

Hur växer ett svart hål inuti ett gashölje?

Ett svart hål växer inuti ett gashölje genom att ackretera massa i en takt som överstiger den vanliga Eddington-gränsen, samtidigt som den omgivande gasen fångar in den resulterande strålningen. Detta skapar en tät, trycksatt kokong där gravitationens inåtgående kraft balanseras av det utåtgående trycket från det svarta hålets energi, vilket resulterar i en stabil men övergående "stjärnliknande" struktur.

De spektroskopiska data stöder denna modell för "dold" tillväxt genom observationen av ett brant Balmer-dekrement ($H\alpha/H\beta > 10$). Ett så högt förhållande tyder på en extremt skymd och tät miljö, där stoft och gas avsevärt rödskjuter ljuset som slipper ut från det inre. Vidare upptäckte teamet flera densitetskänsliga egenskaper, inklusive emissionslinjer från FeII, HeI och OI, vilka sällan ses i vanliga galaxer men är karakteristiska för täta gasmoln som omger en kraftfull energikälla.

Forskningen postulerar att dessa svarta hål-stjärnor företrädesvis finns i galaxer med låg massa ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) som nyligen genomgått intensiva starburst-faser. Förekomsten av extrema ekvivalentbredder i emissionslinjerna — såsom [OIII] 5008Å vid 1100Å och CIII] vid 12Å — tyder på en stark koppling mellan snabb stjärnbildning och födelsen av dessa massiva frön till svarta hål. Denna miljö tillhandahåller den nödvändiga reservoaren av gas för att upprätthålla höljet under det svarta hålets initiala expansion.

Betydelse för tillväxten av tidiga supermassiva svarta hål

Upptäckten av fasen som svarta hål-stjärna har djupgående implikationer för hur de första supermassiva svarta hålen i universum kunde bildas så snabbt. Standardmodeller för ackretion har ofta svårt att förklara hur svarta hål nådde miljarder solmassor under de första miljarderna åren av den kosmiska historien. Mekanismen med svarta hål-stjärnor tillåter dock en snabb "super-Eddington"-tillväxt medan objektet förblir skymt, effektivt dolt från sikt tills höljet så småningom skingras.

Forskarna uppskattar att dessa objekt har en relativt kort duty cycle på cirka 1 %, vilket innebär en livslängd på ungefär 10 miljoner år. Trots denna kortvarighet tyder data på att svarta hål-stjärnor är så vanliga i det tidiga universumet att nästan varje massivt svart hål vi ser idag kan ha passerat genom denna fas som en "liten röd prick". Detta antyder att LRD:er inte är en evolutionär återvändsgränd, utan snarare en universell "tillväxtspurt" för svarta hål.

Framöver kommer framtida observationer med James Webb Space Telescope sannolikt att fokusera på "blå AGN med breda linjer", vilket forskarna tror kan vara den fas som följer efter svarta hål-stjärnan när det täta gashöljet börjar klarna. Genom att studera övergången från gasinneslutna "prickar" till luminösa, omaskerade kvasarer hoppas astronomer kunna kartlägga hela livscykeln för universums mest massiva invånare, från den kosmiska gryningen till idag.