James Webb odkrywa „gwiazdę-czarną dziurę” wielkości Układu Słonecznego

Astronomowie odkryli obiekt, który może stanowić zupełnie nowy typ obiektu astrofizycznego: „gwiazdę z czarną dziurą”, łączącą w sobie masywną czarną dziurę z ogromną otoczką gazu przypominającą gwiazdę. Obiekt ten, nazwany MoM-BH*-1, został wykryty przez teleskop kosmiczny Jamesa Webba (JWST) należący do NASA we wczesnym wszechświecie, zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Obiekt ten jawi się jako niezwykle jasna czerwona kropka, wielkości zbliżonej do naszego Układu Słonecznego. Szacuje się jednak, że jego wydajność energetyczna jest 100 miliardów razy większa niż w przypadku jakiejkolwiek zwykłej gwiazdy, co wyklucza konwencjonalną fuzję jądrową jako źródło zasilania. Zamiast tego naukowcy uważają, że obiekt ten jest zasilany przez centralną czarną dziurę otoczoną ogromną, gęstą chmurą wodoru.

„Uważamy, że w centrum znajduje się czarna dziura o masie 100 000 razy większej od Słońca” – powiedział główny autor badania, Rohan Naidu, stypendysta programu NASA Hubble Fellow oraz stypendysta programu Pappalardo Fellow w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych im. Kavliego przy MIT. Czarna dziura byłaby otoczona rozległą powłoką gazu o rozmiarach zbliżonych do Układu Słonecznego, nadającą obiektowi wygląd przypominający gwiazdę.

Odkrycie dokonano w ramach projektu badawczego Mirage lub Miracle (MoM), którego celem było przeszukiwanie obserwacji z teleskopu JWST w poszukiwaniu jednych z najwcześniejszych galaktyk we wszechświecie. Naukowcy zauważyli, że jedno szczególnie jasne źródło wyglądało nietypowo ze względu na intensywnie czerwony kolor.

Czerwone obiekty na zdjęciach z głębokiego kosmosu często uważa się za otoczone pyłem, który może zmieniać pozorny kolor ich światła. Jednak obiekt MoM-BH*-1 wykazywał szereg innych nietypowych cech. Jego światło wykazywało wyjątkowo głębokie załamanie Balmera – cechę spektralną związaną z gęstym gazem pochłaniającym fotony w atmosferach gwiazd. Obiekt nie wykazywał również niemal żadnych śladów pierwiastków cięższych od wodoru i helu.

Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje różnych możliwych konfiguracji, aby ustalić, co mogłoby powodować charakterystyczne widmo i jasność tego obiektu. Stwierdzili, że niezwykle gęsta otoczka wodoru mogłaby wyjaśniać nietypowe cechy spektralne, ale nie niezwykłą ilość emitowanej energii.

Brakującym elementem okazała się czarna dziura. Dodając do swoich modeli aktywnie akreującą czarną dziurę oraz zmieniając jej masę i inne parametry, naukowcy znaleźli konfigurację, która ściśle odpowiadała obserwacjom teleskopu JWST. Ich symulacje sugerują, że MoM-BH*-1 zawiera czarną dziurę o masie około 100 000 razy większej od Słońca, otoczoną gęstą powłoką wodoru o rozmiarach zbliżonych do Układu Słonecznego.

Proponowany obiekt zasadniczo różni się zarówno od zwykłej gwiazdy, jak i od konwencjonalnej czarnej dziury. W przypadku zwykłej gwiazdy energia pochodzi z fuzji jądrowej, a otaczający ją gaz tworzy ciało gwiazdowe. W przypadku gwiazdy z czarną dziurą źródłem energii jest akreująca czarna dziura, natomiast otaczający ją gęsty gaz tworzy zewnętrzną powłokę przypominającą gwiazdę. Ilustracja dołączona do materiałów MIT przedstawia porównanie tych trzech struktur, pokazując, że powłoka gwiazdy z czarną dziurą rozciąga się mniej więcej do rozmiarów Układu Słonecznego.

Odkrycie to może również pomóc w wyjaśnieniu jednej z największych tajemnic ujawnionych przez teleskop JWST: licznych „małych czerwonych kropek” pojawiających się podczas obserwacji wczesnego wszechświata. Obiekty te są niezwykle powszechne na zdjęciach z teleskopu JWST, ale wydają się w znacznej mierze zniknąć ze współczesnego wszechświata.

Naukowcy podejrzewają, że wiele z tych małych czerwonych kropek może w rzeczywistości stanowić gwiazdy z czarną dziurą osadzone we wczesnych galaktykach. Obiekt MoM-BH*-1 wydaje się niezwykły, ponieważ jest tak jasny, że skutecznie przyćmiewa swoją galaktykę macierzystą, umożliwiając astronomom obserwację tego, co zespół opisuje jako niemal czyste światło gwiazdy z czarną dziurą.

Badanie zatytułowane „Czarna dziura otoczona gazem i zaczerwieniona przez gaz w okresie kosmicznego świtu” zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature”. Jeśli interpretacja ta zostanie potwierdzona dalszymi obserwacjami, gwiazdy-czarne dziury mogłyby stanowić nowe wyjaśnienie tego, w jaki sposób masywne czarne dziury powstały i ewoluowały we wczesnym wszechświecie.