JWST'den Yeni Keşif: "Küçük Kırmızı Noktalar" Muhtemelen Kara Delik Yıldızları

Göreve başlamasından bu yana James Webb Uzay Teleskobu (JWST), halk arasında "Küçük Kırmızı Noktalar" (LRD'ler) olarak bilinen gizemli, kompakt ve aşırı derecede kırmızı nesnelerin görüntülerini yakalayarak erken evren anlayışımızı kökten değiştirdi. Gökbilimciler yıllarca, ( $z \sim 2$ ile $z \sim 9$ arasında bulunan) bu yüksek kırmızıya kayma gösteren kaynakların küçük, ultra yoğun galaksiler mi yoksa gizlenmiş aktif galaktik çekirdekler (AGN) mi olduğunu tartıştılar. Aralarında Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan ve Sandro Tacchella'nın da bulunduğu araştırmacılar tarafından yürütülen çığır açıcı yeni bir çalışma, üçüncü ve daha egzotik bir olasılık öne sürüyor: Bu nesneler, büyüyen bir kara deliğin, ev sahibi galaksisinden tamamen daha parlak olan devasa, yoğun bir gaz zarfı içine hapsolduğu geçici bir evre olan kara delik yıldızlarıdır (BH*lar).

JWST erken evrende ne buldu?

James Webb Uzay Teleskobu (JWST), durgun-çerçeve optik dalga boylarında dikkat çekici derecede kırmızı görünen, "Küçük Kırmızı Noktalar" olarak bilinen yüksek kırmızıya kayma gösteren kompakt bir nesne popülasyonu keşfetti. Büyük Patlama'dan sadece birkaç yüz milyon yıl sonrasına tarihlenen bu kaynaklar, mevcut galaksi oluşumu ve kara delik büyümesi modellerine meydan okuyan aşırı ışıklılıklar ve kompakt yapılar sergilemektedir.

Bu nesnelerin keşfi beklenmedikti çünkü spektral imzaları bilinen gök cisimleriyle tam olarak örtüşmüyordu. Başlangıçta tartışmalar, kırmızılığın sessiz bir galaksideki yaşlı yıldız popülasyonlarından mı yoksa merkezi bir kara delik etrafındaki yoğun toz gizlemesinden mi kaynaklandığı üzerine yoğunlaştı. Araştırma ekibi, bu "Küçük Kırmızı Noktaların" derinliklerine inmek ve yoğun enerji çıkışlarını tetikleyen spesifik mekanizmayı belirlemek için 98 LRD'den oluşan bir örneklemden alınan yüksek kaliteli NIRSpec/PRISM spektrumlarını kullandı.

Bu nesnelerin gerçek doğasını ayırt etmek için araştırmacılar, merkezi motoru çevreleyen ev sahibi galaksiden ayırmak amacıyla yeni bir yöntem geliştirdiler. [OIII] 5008Å emisyon çizgisinin kompakt çekirdekten ziyade yalnızca ev sahibi galaksinin yıldızlararası ortamından kaynaklandığı varsayımıyla hareket ettiler. Bu çizgiye dayanarak ev sahibi galaksinin katkısını çıkaran ekip, LRD'nin "kalbinin" altında yatan spektral enerji dağılımını (SED) ortaya çıkardı ve bu da kara delik yıldızları için popülasyon düzeyindeki ilk kanıtı sağladı.

Küçük Kırmızı Noktalar aslında Kara Delik Yıldızları mı?

Kanıtlar, birçok Küçük Kırmızı Noktanın aslında kalın, opak gaz zarflarıyla sarmalanmış merkezi tekillikler olan kara delik yıldızları tarafından beslendiğini gösteriyor. Ev sahibi galaksi ışığı çıkarıldıktan sonra araştırmacılar, geri kalan çekirdeğin yaklaşık 4.050 K sıcaklığında kara cisim benzeri bir SED'e benzediğini buldular; bu da geleneksel bir galaksiden ziyade gazlı bir zarfla çok daha tutarlıdır.

Genellikle kuasaryıldız (quasistar) olarak adlandırılan "kara delik yıldızı" modeli, bir kara deliğin devasa, hidrostatik bir zarf içinde hızlandırılmış bir oranda büyüdüğü benzersiz bir madde durumunu tanımlar. Çalışma, bu LRD'lerin ev sahibi-çıkarılmış medyan yığınının, devasa sessiz galaksilerde bulunanlardan iki kat daha güçlü bir Balmer kırılması sergilediğini buldu. Bu spesifik özellik, eski yıldızlardan gelen ışıktan ziyade yoğun gaz zarflarının bir "ayırt edici imzasıdır" ve gözlemlenen ışığın ana itici gücünün kara delik olduğunu gösterir.

Brammer, Natarajan ve Tacchella'nın bulgularına göre, bu kara delik yıldızları $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43.9$ erg s$^{-1}$ bolometrik ışıklılık ve yaklaşık 1.300 au etkili yarıçap ile inanılmaz derecede parlaktır. Çalışma, tipik bir LRD'de kara delik yıldızının şunlardan sorumlu olduğunu göstermektedir:

• Ultraviyole (UV) emisyonunun yaklaşık %20'si.
• Balmer kırılmasındaki ışığın kabaca %50'si.
• H$\alpha$'dan daha uzun dalga boylarındaki ışığın yaklaşık %90'ı.

Bir kara delik, gaz zarfının içinde nasıl büyür?

Bir kara delik, gaz zarfı içinde standart Eddington sınırını aşan oranlarda kütle biriktirerek büyürken, çevreleyen gaz ortaya çıkan radyasyonu hapseder. Bu durum, yerçekiminin içe doğru çekişinin kara deliğin enerjisinin dışa doğru basıncıyla dengelendiği, stabil ancak geçici "yıldız benzeri" bir yapıya sahip yoğun, basınçlı bir koza oluşturur.

Spektroskopik veriler, dik bir Balmer azalımı ($H\alpha/H\beta > 10$) gözlemi yoluyla bu "örtülü" büyüme modelini desteklemektedir. Bu kadar yüksek bir oran, toz ve gazın içeriden kaçan ışığı önemli ölçüde kırmızılaştırdığı, oldukça gizlenmiş ve yoğun bir ortama işaret eder. Ayrıca ekip, standart galaksilerde nadiren görülen ancak güçlü bir enerji kaynağını çevreleyen yüksek yoğunluklu gaz bulutlarının karakteristiği olan FeII, HeI ve OI emisyon çizgileri dahil olmak üzere çok sayıda yoğunluğa duyarlı özellik tespit etti.

Araştırma, bu kara delik yıldızlarının tercihen yakın zamanda yoğun yıldız oluşum patlamaları geçirmiş düşük kütleli galaksilerde ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) bulunduğunu öne sürüyor. 1100Å'da [OIII] 5008Å ve 12Å'da CIII] gibi aşırı emisyon çizgisi eşdeğer genişliklerinin varlığı, hızlı yıldız oluşumu ile bu devasa kara delik tohumlarının doğuşu arasında güçlü bir bağlantı olduğunu göstermektedir. Bu ortam, kara deliğin ilk genişlemesi sırasında zarfı korumak için gerekli gaz rezervuarını sağlar.

Erken Süper Kütleli Kara Delik Büyümesi İçin Çıkarımlar

Kara delik yıldızı evresinin keşfi, evrendeki ilk süper kütleli kara deliklerin nasıl bu kadar hızlı oluştuğu konusunda derin çıkarımlara sahiptir. Standart birikim modelleri genellikle kara deliklerin kozmik tarihin ilk milyar yılı içinde nasıl milyarlarca güneş kütlesine ulaştığını açıklamakta zorlanır. Ancak, kara delik yıldızı mekanizması, nesne gizli kalırken hızlı, "süper-Eddington" büyümesine izin verir ve zarf nihayet dağılana kadar görüşten etkili bir şekilde saklanır.

Araştırmacılar bu nesnelerin yaklaşık %1'lik nispeten kısa bir görev döngüsüne sahip olduğunu, bunun da kabaca 10 milyon yıllık bir ömür anlamına geldiğini tahmin ediyor. Bu geçiciliğe rağmen veriler, kara delik yıldızlarının erken evrende o kadar yaygın olduğunu ve bugün görülen hemen hemen her devasa kara deliğin bir zamanlar bu "Küçük Kırmızı Nokta" evresinden geçmiş olabileceğini gösteriyor. Bu durum, LRD'lerin evrimsel bir çıkmaz sokak değil, kara delikler için evrensel bir "büyüme atağı" olduğunu göstermektedir.

Geleceğe bakıldığında, James Webb Uzay Teleskobu ile yapılacak gözlemler muhtemelen araştırmacıların yoğun gaz zarfı temizlenmeye başladıktan sonra kara delik yıldızını takip eden evre olduğuna inandıkları "mavi geniş çizgili AGN"lere odaklanacaktır. Gökbilimciler, gazla sarmalanmış "noktalardan" parlak, maskesiz kuasarlara geçişi inceleyerek, evrenin en devasa sakinlerinin kozmik şafaktan günümüze kadar tüm yaşam döngüsünü haritalandırmayı umuyorlar.