Minęły już 4 lata od czasu odkrycia przez Teleskop Jamesa Webba tajemniczych „Małych Czerwonych Kropek” (ang. little red dots). Po pierwszym sklasyfikowaniu w 2024 roku zaczęły pojawiać się teorie, wyjaśniające czym one są. Dotychczas jednak żadnej nie udało się tego w pełni osiągnąć. Ostatnimi czasy szczególnym zainteresowaniem cieszy się teoria quasigwiazd (ang. black hole star), a także koncepcja obiektów podobnych do nich, czyli czarnych dziur otocznych gęstą gazową otoczką. Najnowsze badanie opublikowane w The Astrophysical Journal zdaje się wskazywać na prawdziwość jednej lub obu z nich – choć ostateczne słowo zdecydowanie jeszcze nie padło.

NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College) via Wikimedia Commons

Zestawienie false-colour zdjęć sześciu małych czerwonych kropek z podanymi nazwami i odpowiednimi przesunięciami ku czerwieni.

Na razie jest jedynie kilka pewników. Małe Czerwone Kropki są niezwykle jasne i osiągają wartości przypominające te wykryte u kwazarów. Na ten moment znanych jest około 400 takich obiektów, choć obserwacje trwają. A co najważniejsze – obecność MCK datowana jest na od 0,6 do 1,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Ta kombinacja parametrów jest czynnikiem dyskwalifikującym wiele teorii i powoduje, że ich istnienie kłóci się z obecnie przyjętymi konwencjami. Dlatego powstały nowe, bądź odświeżone zostały stare, jak właśnie w przypadku quasigwiazd.

Czym są quasigwiazdy?

Naukowcy na podstawie obserwacji obliczyli tempa akrecji różnych czarnych dziur, od najmniejszych, po największe. Okazało się, że czarne dziury przybierają około 1% ich początkowej masy na 5 milionów lat. Oznacza to, że o ile możliwe jest powstanie supermasywnej czarnej dziury poprzez zwykłe pożeranie materii, jest to proces bardzo długotrwały. Z tego powodu supermasywne czarne dziury musiały powstać w jakiś inny sposób, ponieważ istnieją takie o masach rzędu miliardów mas Słońca, które są od nas oddalone o miliardy lat świetlnych, co oznacza, że miały taką masę już bardzo dawno temu. Jako wyjaśnienie tego problemu amerykański astrofizyk Mitchell Begelman z Uniwersytetu Kolorado w Boulder w 2006 roku stworzył teorię, opierającą się na prostym pytaniu – co jeśli istniały większe gwiazdy?

Opisując pokrótce – Begelman zakładał obiekty we wczesnym Wszechświecie o masach rzędu milionów mas Słońca, których jądro w wyniku zachwiania równowagi hydrostatycznej stałoby się czarną dziurą. W obecnych czasach kończyłoby się to supernową, ze względu na metaliczność teraźniejszych gwiazd. W początkowych latach Wszechświata byłoby to natomiast możliwe, a do powstałej czarnej dziury wtłaczane byłyby resztki quasigwiazdy, co spowodowałoby powstanie supermasywnych czarnych dziur. Dokładne szczegóły można znaleźć w innym artykule.

Sauropodomorph via Wikimedia Commons

Porównanie rozmiarów największych gwiazd i hipotetycznej quasi-gwiazdy.

Co mają do tego Małe Czerwone Kropki? Otóż jedynymi znanymi obiektami, które generują jasność podobną do nich, są kwazary, czyli aktywne jądra galaktyk, znane także właśnie jako supermasywne czarne dziury. Dlatego powrócono – a wręcz sam Begelman powrócił – do teorii quasigwiazd, odświeżając ją o nowe odkrycia.

Jaki obraz przedstawia najnowsze badanie?

Omawiane badanie oparte zostało na jednej z czerwonych kropek – GLIMPSE-17775. Autorzy przedstawili wniosek na podstawie pięciu niezależnych linii dowodowych.

Po pierwsze szerokie linie emisyjne, zwłaszcza wodoru, ale także tlenu i helu, mają charakterystyczny profil z wykładniczymi skrzydłami. Nie jest to typowe poszerzenie dopplerowskie (ang. Doppler broadening), często obserwowane w kwazarach, które powstaje wskutek ruchu gazu z różnymi prędkościami. Taki kształt linii jest natomiast charakterystyczny dla rozpraszania Thomsona na elektronach w gazie o gęstości przekraczającej 100 milionów elektronów na centymetr sześcienny. Oznacza to środowisko znacznie gęstsze niż typowy obszar powstawania szerokich linii emisyjnych w standardowych kwazarach.

Po drugie widmo wykazuje wyraźny skok Balmera – nagłą zmianę natężenia widma ciągłego w miejscu odpowiadającym granicy serii Balmera wodoru. Zmierzona wielkość tego skoku wskazuje na silną absorpcję przez atomy wodoru znajdujące się w pierwszym stanie wzbudzonym (n = 2), co również wymaga bardzo wysokiej gęstości gazu.

Vasily Kokorev, John Chisholm, Rohan P. Naidu et al.

Różnorodność skoków Balmera w Małych Czerwonych Kropkach. Czarne punkty przedstawiają fotometrię obiektu GLIMPSE-17775 z teleskopów Hubble’a i Jamesa Webba. Niebieska linia pokazuje najlepiej dopasowany model SED, a bordowa – połączone i skorygowane fotometrycznie widmo.

Po trzecie silne linie helu wykazują profile typu P-Cygni, czyli charakterystyczny układ emisji i absorpcji świadczący o tym, że część gazu jest wyrzucana w kierunku obserwatora. Takie ślady helu w absorpcji są bardzo rzadko obserwowane w podobnych obiektach znajdujących się we wczesnym Wszechświecie.

Po czwarte wykryto emisję tlenu O I λ8446 i λ11290, powstającą w wyniku fluorescencji Bowena. Oznacza to, że promieniowanie ultrafioletowe wzbudza atomy tlenu, które następnie emitują światło o określonych długościach fali. Proces ten wymaga zarówno silnego źródła promieniowania, jak i dużej ilości neutralnego gazu.

Po piąte w widmie zidentyfikowano 16 linii zjonizowanego żelaza Fe(II), tworzących tzw. „las żelazowy” w bliskiej podczerwieni. Ich intensywności są zgodne z przewidywaniami modeli teoretycznych opartych na wzbudzaniu przez promieniowanie Ly-α. Tak bogaty zestaw linii żelaza w pojedynczym obiekcie należy do wyjątkowo rzadkich obserwacji.

Vasily Kokorev, John Chisholm, Rohan P. Naidu et al.

Schemat przedstawiający budowę gęstego kokonu gazowego, otaczającego supermasywną czarną dziurę w obiekcie GLIMPSE-17775. Wewnętrzna warstwa składa się z bardzo gęstego i silnie zjonizowanego gazu, natomiast zewnętrzna zawiera rzadszy materiał, w którym powstają charakterystyczne linie helu i żelaza. Analiza widma wskazuje, że czarna dziura jest otoczona wielowarstwową strukturą gazową, prawdopodobnie obserwowaną na etapie intensywnego wzrostu i akrecji materii. W prawym dolnym rogu pokazano profile najważniejszych linii widmowych wykorzystanych do rekonstrukcji tej struktury.

Te obserwacje wskazują więc na to, że GLIMPSE-17775 to aktywne jądro galaktyki otoczone gęstą powłoką gazu. Nie wyklucza to, że Małe Czerwone Kropki są quasigwiazdami, ale sprawia, że udowodnienie tego staje się znacznie trudniejsze. Jednak dopiero kolejne badania pokażą, czy jest to reprezentatywne dla wszystkich z Małych Czerownych Kropek. Te niewątpliwie ukaża się niedługo, gdyż debata dotycząca MCK jest obecnie szczególnie żywa. Dołoży ku temu wszelkich starań szczególnie Begelman, który na pewno nie może się doczekać, aż wreszcie będzie mógł powiedzieć „A nie mówiłem?”.

Korekta – Antonina Habrat