Gåtefulle, røde dotter fra universets barndom kan være sorte hull-stjerner
Det kan kanskje forklare hvordan sorte hull ble tvangsfôret til å bli supermassive kjemper.
Illustrasjon av en tenkt sort hull-stjerne. Et sort hull i midten er omgitt av en enorm, tett kokong av gass.(Illustrasjon: T. Müller/A. de Graaff/Max Planck Institute for Astronomy)
Siden James Webb-teleskopet begynte å se ut i universet, har det dukket opp en ny kategori av galakser.
Romteleskopet kan se lys på lengre bølgelengder enn forgjengeren, Hubble. Det kan dermed se nye strukturer og lenger ut i universet.
En ny gruppe galakser, omtalt som little red dots, får forskere til å klø seg i hodet.
De er røde, kompakte og fantes i en tidlig periode av universets histore, 0,6 til 1,6 milliarder år etter big bang. De har vært vanskelige å tolke.
I en ny studie kommer forskere fra blant annet Pennsylvania State University med et oppsiktsvekkende forslag. De mener lysspekteret passer best med at disse objektene er noe helt nytt: Sorte hull-stjerner.
Dette skal være enorme skyer av gass som minner om en stjernes atmosfære. Men istedenfor at «stjernen» drives av fusjon, er det et sort hull i midten som hemningsløst sluker materiale og får skyen til å lyse.
Små og tettpakket
Nils-Ole Stutzer er postdoktor ved Universitetet i Oslo.(Foto: UiO)
Nils-Ole Stutzer er postdoktor ved Universitetet i Oslo og jobber med kosmologi. Nylig gikk han gjennom forskningen på little red dots i forbindelse med disputas-prøveforelesningen sin. De røde dottene er et hett tema i astrofysikk for tiden.
– Jeg fant rundt 80 artikler, nå er det sikkert rundt 100. Det er artig, fordi dette er veldig mystiske objekter, ingen vet hva de egentlig er. Av de 100 artiklene er det sikkert 80 forskjellige forklaringer, sier Stutzer.
Da James Webb begynte å titte ut i universet, var disse små, røde dottene noe av det nye som dukket opp.
– Hvis du bruker standardantakelser for hvordan vi oversetter mengden lys til hvor mange stjerner det er i dem, så er de veldig massive, sier Stutzer.
Det betyr at disse tidlige galaksene må være fullstendig tettpakket av stjerner. Så tettpakket at det ikke burde være mulig.
Gamle stjerner
Galaksene fremstår også som veldig modne.
– Hvis man tar bilde av dem med forskjellige filtre, der filtrene har litt forskjellig sensitivitet i bølgelengdene, er de lysere i den røde delen av det synlige spekteret enn i den blå delen, sier Stutzer.
– Røde galakser er ofte et kjennetegn på at galaksen har sluttet å danne stjerner, den har brukt opp all gass den kan lage stjerner av, sier Stutzer.
I galakser der det foregår stjernedannelse, lages det fortsatt enorme, varme stjerner med blåskjær. De brenner opp raskere enn de kalde, små, røde stjernene.
Annonse
Støv eller et stort sort hull
Et annet forslag er at galaksene ser ut som de gjør på grunn av mye gass og støv.
Gassen og støvet varmes opp, og energien sendes ut igjen som rødt eller infrarødt lys. Det blir et slags rødt filter i galaksen.
En annen mulighet er at en del av lyset fra de små, røde dottene kommer fra supermassive sorte hull som sluker materiale. Da dannes det en skive av varm gass som sender ut stråling.
Det kan muligens forklare hvorfor de ser så massive og kompakte ut. Men da burde de røde dottene ha sendt ut røntgenstråling, noe de ikke gjør.
– Ekstreme egenskaper
I den nye studien har forskerne studert et en liten, rød dott de kaller The Cliff. Den ser ut til å være veldig kompakt. De har sett på den i et instrument som kan splitte opp lyset i alle sine regnbuefarger, forklarer Stutzer.
– Man får et mye mer nøyaktig blikk på lyset på forskjellige bølgelengder som ble sendt ut.
Lysspekteret kan vises i en graf med topper og daler som får fram de ulike bølgelengdene i lyset. The Cliff viser seg å ha en bratt stigning i lysspekteret, kalt en Balmer break.
– De ekstreme egenskapene til The Cliff tvang oss til å gå tilbake til tegnebordet og lage nye modeller, sier Anna de Graaff ved Max Planck Institute for Astronomy.
Noe ioniserer hydrogengass
Lysspekteret til små, røde dotter er V-formet hos nesten alle, forteller Nils-Ole Stutzer.
Annonse
Der det begynner å gå opp, kalles et Balmer break. Stigningen skyldes at lys med høy nok energi slår elektroner løs fra hydrogenatomer, slik at de blir ionisert. Dette ses i varme stjerner og også i mange galakser.
– Det betyr at det må være noe til stede som kan ionisere hydrogengass, det må være ultrafiolett lys, noe som er varmt, sier Stutzer.
– Det som er interessant ved The Cliff, er at Balmer breaken er så stor, den har voldsom høyde.
20 eksempler på Little red dots.(Bilde: Jorryt Matthee, m.fl., The Astrophysical Journal, 2024)
Stjernene ville stått så tett at de hadde krasjet i hverandre flere ganger i året. Da burde man se røntgenstråling, noe forskerne ikke gjør.
Hermer etter stjerner
Forskerne foreslår isteden at The Cliff og andre røde dotter kan være sorte hull-stjerner.
Annonse
– Det er et supermassivt sort hull som står og drar til seg varm gass. Men i dette tilfellet blir det en så stor og tett gassky rundt det sorte hullet at den blir det vi kaller optisk tjukk, sier Nils-Ole Stutzer.
Det betyr at gasskyen ikke er gjennomsiktig lenger.
– Da vil den herme litt etter en stjerneatmosfære, det vil se ut som en slags galakse, men den har en stor stjerneatmosfære, eller klump med gass rundt.
– En slik «stjerneatmosfære» vil også absorbere røntgenstrålingen man forventer fra innfallende materie rundt et supermassivt sort hull og kan dermed forklare hvorfor dette ikke observeres.
Astrofysiker Joel Leja, som deltok i studien, synes det er en elegant forklaring.
– Vi trodde det var en liten galakse med mange kalde enkeltstjerner. Isteden er det én enorm, veldig kald stjerne, sier Leja i pressemeldingen.
Illustrasjon av et supermassivt sort hull omgitt av gass som faller inn.(Illustrasjon: ESO/L. Calçada)
Hvordan ble de sorte hullene supermassive?
Sorte hull-stjerner har vært foreslått tidligere for å forklare andre ting, sier Stutzer.
I midten av store galakser er det sorte hull på millioner til milliarder ganger solens masse.
Forskere har også påvist sorte hull på noen titalls solmasser, som stammer fra stjerner som har eksplodert.
Hvordan ble de supermassive sorte hullene så store? Antagelig må mindre sorte hull ha krasjet sammen. Men man har nesten ikke funnet mellomstore sorte hull.
– Man burde jo se sorte hull langs hele massespekteret. Men det gjør man ikke, sier Stutzer.
Kanskje har de supermassive sorte hullene vokst seg store av seg selv ved å suge inn gass?
Annonse
– Da ser man at hvis de suger inn for mye masse, blir gassen som faller inn, så varm at den stråler ut med et voldsomt strålingstrykk og presser ut gassen som faller inn, sier Stutzer.
– Det er en viss grense for hvor mye gass som kan falle inn, for da vil strålingstrykket bare blåse vekk innfallende gass.
Det kalles Eddington-grensen.
Kanskje kan sorte hull-stjerner overkomme denne grensen.
I en hypotetisk sort hull-stjerne er det en tung, tjukk stjerneatmosfære som presser nedover med gravitasjonskraft, sier Stutzer.
– Det er så mye gass at den bare blir trykket innover og greier å tvangsmate det sorte hullet. Da kan det vokse raskere enn Eddington-grensen.
Dette kan være med på å forklare hvordan supermassive sorte hull har blitt så store.
– Sorte hull-stjernene kan være den første fasen i dannelsen av de sorte hullene vi ser i galakser i dag - supermassive sorte hull i spedbarnsperioden, sier Joel Leja, som var med på studien.
Man må være forsiktig med å favorisere en teori, sier Stutzer. Små, røde dotter er fortsatt mystiske og det er mange forslag til hvordan de kan forklares.
– Men det hadde vært veldig kult om vi hadde hatt en stjerne som blir drevet av et sort hull i senteret sitt.
