Gwiazda wielkości Układu Słonecznego. W środku rośnie potwór

Z daleka wygląda jak czerwona, gigantyczna gwiazda. Gdyby umieścić ją w miejscu Słońca, jej gazowa otoczka mogłaby rozciągać się przez sporą część Układu Słonecznego. Jest tylko jeden problem: w środku nie zachodzi fuzja jądrowa. Zamiast gorącego gwiezdnego jądra znajduje się tam rosnąca czarna dziura. Astronomowie nazwali ten przedziwny obiekt MoM-BH*-1 i uważają, że może być najlepszym dotąd przykładem zupełnie nowego etapu życia czarnych dziur.

MoM-BH*-1 jako pierwszy zobaczył Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Patrzymy na obiekt takim, jaki był zaledwie około 660 mln lat po Wielkim Wybuchu, a więc w epoce, w której pierwsze galaktyki i czarne dziury dopiero gwałtownie rosły. Na zdjęciu nie prezentuje się szczególnie imponująco. Jest kolejną maleńką czerwoną kropką. Dopiero rozłożenie jej światła na widmo pokazało, że astronomowie trafili na coś bardzo nietypowego.

Światło gwałtownie zanika poniżej określonej długości fali. To tzw. skok Balmera, cecha dobrze znana z atmosfer gwiazd. Problem w tym, że w MoM-BH*-1 jest on tak potężny, że nie da się go sensownie odtworzyć za pomocą żadnej zwyczajnej populacji gwiazd.

Najbardziej ekstremalny model złożony niemal wyłącznie z gwiazd szczególnie dobrze wytwarzających taki sygnał powinien osiągnąć wartość poniżej 5. W MoM-BH*-1 zmierzono około 7,7. To najsilniejszy taki przypadek obserwowany na podobnym etapie historii Wszechświata. Coś wyglądało więc jak gigantyczna atmosfera gwiazdy, ale zwykłą gwiazdą być nie mogło.

Rozwiązaniem okazał się model dość absurdalny na pierwszy rzut oka. W centrum znajduje się aktywnie pochłaniająca materię czarna dziura. Otacza ją niewiarygodnie gęsty kokon wodoru, który pochłania, rozprasza i ponownie emituje promieniowanie produkowane blisko czarnej dziury. Z zewnątrz taka konstrukcja zaczyna przypominać gwiazdę z własną fotosferą. Różnica tkwi jednak w silniku.

Zwykła gwiazda świeci dzięki reakcjom termojądrowym w swoim jądrze. Tutaj źródłem energii jest materia spadająca na czarną dziurę. Rozgrzewa się do ekstremalnych temperatur i uwalnia ogromne ilości energii, zanim przekroczy horyzont zdarzeń. Gazowa otoczka robi natomiast coś w rodzaju kostiumu. Przetwarza promieniowanie i nadaje całemu obiektowi widmo częściowo przypominające atmosferę gwiazdy. Astronomowie zaczęli nazywać takie konstrukcje gwiazdami czarnych dziur.

To nie jest zatem dosłownie gwiazda posiadająca czarną dziurę zamiast jądra. Lepiej wyobrazić sobie czarną dziurę zamkniętą wewnątrz ogromnej, niemal kulistej i wyjątkowo nieprzezroczystej atmosfery gazowej.

Największe wrażenie robi chyba przede wszystkim skala tego obiektu. Model zastosowany przez badaczy zakłada otoczkę gęstego gazu rozciągającą się na około 10-100 jednostek astronomicznych. Jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemi od Słońca. Neptun krąży około 30 jednostek astronomicznych od naszej gwiazdy. MoM-BH*-1 może więc faktycznie mieć rozmiary porównywalne z całym planetarnym podwórkiem Słońca.

Jednocześnie kokon jest kosmicznym przeciwieństwem delikatnej mgły. W najlepszym modelu gęstość wodoru dochodzi do około 10^11 atomów na cm sześc., a gaz jest tak gruby optycznie, że skutecznie więzi i wielokrotnie przetwarza promieniowanie z centrum.

MIT opisuje centralną czarną dziurę jako obiekt o masie rzędu 100 tys. Słońc, choć dokładne oszacowanie masy w tak nietypowym środowisku jest jednym z dużych problemów. Klasyczne metody stosowane wobec aktywnych jąder galaktyk mogą tutaj mocno zawyżać wynik, bo poszerzenie linii widmowych nie musi wynikać wyłącznie z ruchu gazu.

MoM-BH*-1 może przy okazji pomóc rozwiązać jedną z najgłośniejszych zagadek ery Webba. Niemal od początku pracy teleskop znajdował w bardzo młodym Wszechświecie kompaktowe, niezwykle czerwone obiekty nazwane Little Red Dots. Były za jasne i zbyt dziwne jak na zwykłe młode galaktyki. Część zdradzała obecność aktywnych czarnych dziur, ale ich widma nie przypominały klasycznych kwazarów.

Na Spider’s Web pisaliśmy już o tym w tekście: Znaleziono dowód na istnienie tajemniczych gwiazd czarnych dziur. Webb naprawił kosmos. Analiza GLIMPSE-17775 wskazywała na rosnącą czarną dziurę zatopioną w grubym kokonie gazu.

Przeczytaj także:

MoM-BH*-1 idzie jednak dalej, bo jego macierzysta galaktyka jest wyjątkowo słaba. W obserwowanym zakresie światła sam centralny obiekt niemal całkowicie ją zagłusza. Astronomowie dostają więc coś zbliżonego do czystego widma takiej gwiazdy czarnej dziury, bez dużej domieszki światła zwykłych gwiazd.

To może tłumaczyć, dlaczego część Little Red Dots wyglądała dotąd jak obiekty nigdzie niepasujące. Być może obserwowaliśmy mieszaninę światła młodej galaktyki i znajdującego się w jej centrum takiego właśnie gazowego potwora.

*Źródło grafiki wprowadzającej: MIT / Canva Pro