Znaleziono dowód na istnienie tajemniczych gwiazd czarnych dziur. Webb naprawił kosmos
Skomplikowana zagadka znana jako małe czerwone kropki doczekała się wreszcie wyjaśnienia, a prawda jaka się wyłania z tego odkrycia jest jeszcze bardziej niesamowita, niż można było przypuszczać. Oto okazuje się, że tajemnicze, hipotetyczne gwiazdy czarne dziury faktycznie istnieją. I są na to dowody.
Zespół astronomów pod kierownictwem Wasilija Kokoriewa z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin zbadał małą czerwoną kropkę GLIMPSE-17775. Analizując dokładnie widmo zarejestrowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, najgłębsze jak dotąd widmo małej czerwonej kropki, zespół badawczy zidentyfikował liczne dowody, które potwierdzają, że GLIMPSE-17775 to supermasywna czarna dziura otoczona gęstym kokonem częściowo zjonizowanego gazu. Mityczna gwiazda czarna dziura zwana też quasistar.
Artykuł opisujący wyniki tego badania został właśnie opublikowany w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Tajemnicze kropki na krańcu Wszechświata
Ale po kolei. Czym są małe czerwone kropki i co to są gwiazdy czarne dziury?
Kiedy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zaczął przesyłać na Ziemię pierwsze głębokie zdjęcia wszechświata, w świecie astronomii zapanowało poruszenie wymieszane z lekkim niepokojem. Obok doskonale znanych struktur, teleskop dostrzegł mnóstwo zagadkowych, gęsto rozsianych obiektów, które szybko ochrzczono mianem "małych czerwonych kropek". Pojawiły się nawet głosy, że te niezwykle jasne punkty z wczesnego wszechświata burzą dotychczasowe modele kosmologiczne, ponieważ sugerowały istnienie gigantycznych galaktyk w czasach, gdy te nie miały jeszcze prawa powstać.
Gwiazda czarne dziura (quasistar) to z kolei hipotetyczny rodzaj gigantycznej gwiazdy, która mogła istnieć we wczesnym Wszechświecie, krótko po Wielkim Wybuchu. W przeciwieństwie do zwykłych gwiazd nie była zasilana przez reakcje termojądrowe, lecz przez materię wpadającą do czarnej dziury znajdującej się w jej centrum.
Kosmiczna lupa pomaga oszukać czas
Odkrycie natury GLIMPSE-17775 nie byłoby możliwe, gdyby nie zbieg wyjątkowo szczęśliwych okoliczności. Obiekt ten znalazł się w polu widzenia Webba przy okazji realizacji programu GLIMPSE, którego celem było poszukiwanie pierwszych gwiazd i słabych galaktyk w gromadzie Abell S1063. Okazało się, że nasza mała czerwona kropka znajduje się znacznie dalej niż wspomniana gromada galaktyk, jej przesunięcie ku czerwieni wynosi 3,5, co oznacza, że istniała już około 1,8 mld lat po Wielkim Wybuchu.
Źródło zostało odkryte w ramach programu GLIMPSE, którego celem było ujawnienie najsłabszych źródeł we wczesnym Wszechświecie - powiedział Hakim Atek z Institut d'Astrophysique de Paris we Francji, współautor badania i główny badacz programu GLIMPSE.
W badaniach pomogła sama natura i zjawisko soczewkowania grawitacyjnego. Ogromna masa bliższej gromady galaktyk zadziałała jak gigantyczne szkło powiększające, uginając i wzmacniając światło biegnące z GLIMPSE-17775. Choć teleskop Webba prowadził obserwacje spektroskopowe tego obiektu przez 30 godzin, dzięki grawitacyjnemu wzmocnieniu naukowcy uzyskali dane odpowiadające aż 80 godzinom czystego czasu pracy teleskopu. Pozwoliło to na wyodrębnienie ponad 40 linii widmowych z tego małego, czerwonego punktu.
Kiedy po raz pierwszy zobaczyliśmy widmo, mieliśmy wrażenie, jakby wszystkie elementy układanki leżały rozrzucone po podłodze. Podnieśliśmy każdy element układanki, zmierzyliśmy linie i zaczęliśmy łączyć poszczególne elementy w mozaikę. Może kilka elementów na początku wydawało się niczym, ale potem kilka z nich połączyło się i zdaliśmy sobie sprawę, że coś w tym jest - powiedział Kokorev.
Dane spektroskopowe zebrane przez Webba zawierają liczne dowody wspierające interpretację mówiącą, że mała czerwona kropka GLIMPSE-17775 jest rosnącą czarną dziurą otoczoną gęstym kokonem gazu.
Żelazny las i prawda ukryta w kokonie
Wśród ponad 40 linii, które zespół wykrył w widmie GLIMPSE-17775, znajdowały się różne, niezależne wskaźniki, które wszystkie pokrywają się ze scenariuszem gwiazdy czarnej dziury. Na przykład, zespół odkrył, że wiele linii widmowych (takich jak wodór, tlen i hel) nie pasuje do prostego modelu wirującej chmury gazowej.
Zamiast tego, najlepiej dopasowany model uwzględnia efekt poszerzenia znany jako rozpraszanie elektronów, wyraźny sygnał, że źródło jest otoczone gęstym, warstwowym kokonem gazowym.
Siła i stosunki niektórych linii do siebie, zwłaszcza 16 linii żelaza, które tworzą to, co zespół nazwał "żelaznym lasem", oraz niektórych linii tlenu, wymagają do ich powstania źródła o wysokiej energii, takiego jak szybko akreująca czarna dziura (czarna dziura, która bardzo intensywnie pochłania otaczającą ją materię). Ponadto astronomowie zauważyli fluorescencję i absorpcję helu w widmie, które z osobna sugerują istnienie gęstego ośrodka otaczającego silne źródło.
Scenariusz gwiazdy będącej czarną dziurą nie tylko pasuje do GLIMPSE-17775, ale także wyjaśnia, dlaczego większość małych czerwonych kropek jest słaba w promieniach rentgenowskich, ponieważ wszelkie tego typu emisje są najprawdopodobniej pochłaniane przez gęsty kokon gazu.
Więcej na Spider's Web:
Hubble uzupełnia brakujący element
W badaniach nad GLIMPSE-17775 brakowało jednak jednego elementu, charakterystycznego dla innych małych czerwonych kropek, tak zwanej przerwy Balmera, czyli gwałtownego spadku intensywności emitowanego światła. Aby zrozumieć tę anomalię, zespół Kokoreva sięgnął po archiwalne dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, zebrane w ramach programów Frontier Fields oraz BUFFALO.
Połączenie danych z Webba i Hubble'a przyniosło zaskakujące wyjaśnienie. Przerwa Balmera była słabsza, ponieważ wokół centralnego kokonu z czarną dziurą znajduje się ogromna, macierzysta galaktyka. Gwiazdy tworzące tę galaktykę emitują nadprogramowe niebieskie światło, które częściowo maskuje czerwony sygnał.
Choć wcześniej nie obserwowano galaktyk macierzystych wokół małych czerwonych kropek na taką skalę, odkrycie to idealnie wpisuje się w model gęstego kokonu gazowego.
Dzięki tym ustaleniom astronomowie mogą wreszcie odetchnąć z ulgą. Obawa, że małe czerwone kropki popsuły kosmologię poprzez sugerowanie istnienia niemożliwie wielkich galaktyk w młodym wszechświecie, okazała się przedwczesna.
Światło, które brano za blask miliardów gwiazd, w rzeczywistości pochodzi z procesów zachodzących wokół rosnących czarnych dziur, których masy wcale nie muszą być tak ogromne, by wyjaśnić obserwowane zjawiska. Wszechświat zachował swoją spójność.
