Otázka „čo bolo skôr, sliepka alebo vajce“ má svoju vesmírnu verziu. Webb našiel čiernu dieru, ktorá mohla vzniknúť skôr než jej galaxia
Teleskop Jamesa Webba našiel v ranom vesmíre čiernu dieru s hmotnosťou 50 miliónov Sĺnk. Objekt QSO1 naznačuje, že niektoré supermasívne čierne diery mohli vzniknúť skôr než ich galaxie.
Keď sa astronómovia pozerajú hlboko do minulosti vesmíru, opakovane narážajú na problém, ktorý im nesedí do tabuliek. Objavujú čierne diery s obrovskou hmotnosťou v období, keď bol vesmír ešte veľmi mladý. A práve tu sa začína záhada. Podľa doterajších predstáv by takéto objekty nemali mať dosť času na to, aby vyrástli do takýchto rozmerov.
Ich vznik sa dlho spájal s vývojom hviezd a galaxií. Najprv vznikne galaxia, v nej sa zrodia masívne hviezdy, tie dohoria, zrúti sa ich jadro a postupne vzniknú čierne diery. Tie potom pohlcujú plyn, spájajú sa s inými čiernymi dierami a rastú. Pekný scenár. Lenže nový pohľad teleskopu Jamesa Webba ho poriadne rozhádzal. Vedci dnes čoraz vážnejšie pracujú s možnosťou, že niektoré čierne diery mohli vzniknúť skôr než galaxie, v ktorých ich dnes vidíme. Poradie udalostí sa tak mohlo otočiť na hlavu.
Do centra pozornosti sa dostal objekt s označením Abell2744-QSO1. Ide o extrémne vzdialený zdroj svetla, ktorý vidíme tak, ako vyzeral približne 700 miliónov rokov po veľkom tresku. To je obdobie, keď sa prvé veľké štruktúry vo vesmíre ešte len skladali dokopy. Žiadny hotový, pokojný vesmír. Skôr detská izba po výbuchu hračiek.
Samotný objekt pritom nie je veľký. Má priemer približne 1 300 svetelných rokov, čo je oproti bežným galaxiám naozaj málo. Lenže práve v ňom sa skrýva niečo, čo rozmermi vôbec nezodpovedá svojmu okoliu. Vedcom pomohla gravitačná šošovka, ktorú vytvára masívna kopa galaxií v popredí. Tá funguje ako prírodná kozmická lupa. Zosilňuje svetlo vzdialeného objektu a zároveň vytvára viacero obrazov toho istého zdroja.
Čierna diera mohla vzniknúť skôr než galaxia okolo nej
Už prvé analýzy ukázali, že QSO1 nevyzerá ako klasická galaxia plná hviezd. Skôr pripomína oblak horúceho plynu, ktorý obieha okolo extrémne hmotnej čiernej diery. Prvé odhady hovorili o desiatkach miliónov hmotností Slnka, no stále išlo o nepriame výpočty. A pri tak vzdialených objektoch je to vždy problém. Stačí zlý predpoklad a celé číslo môže uletieť.
Neprehliadni
Rozhodujúci posun priniesli až detailné merania pomocou spektrografu NIRSpec na palube Webbovho teleskopu. Vedci vďaka nemu sledovali pohyb plynu v okolí čiernej diery s vysokou presnosťou. A tam prišiel moment, ktorý je na tomto objave najzaujímavejší. Plyn sa správal podľa rovnakých fyzikálnych zákonov, aké poznáme z pohybu planét v Slnečnej sústave. Obiehal okolo jedného dominantného gravitačného centra.
Fyzika nepustí.
Ak plyn obieha takýmto spôsobom, dá sa z jeho rýchlosti vypočítať hmotnosť objektu v strede. Vedci tak prvýkrát priamo určili hmotnosť čiernej diery v takto vzdialenom objekte. Vyšla im približne na 50 miliónov hmotností Slnka. A teraz príde tá najtvrdšia časť. Táto čierna diera predstavuje väčšinu hmoty celého systému.
To je naozaj nezvyčajné. V dnešnom vesmíre supermasívne čierne diery tvoria len malý zlomok hmotnosti svojich galaxií. Tu to vyzerá opačne. Galaxia nepôsobí ako hlavná stavba, v ktorej si čierna diera len sedí uprostred. Skôr to vyzerá tak, že čierna diera bola základom a zvyšok sa okolo nej ešte len začínal formovať.
Plyn okolo čiernej diery je takmer nedotknutý hviezdami
Ešte silnejší kontext prinieslo chemické zloženie plynu. QSO1 obsahuje najmä vodík a hélium, teda prvky, ktoré vznikli krátko po veľkom tresku. Ťažšie prvky, napríklad kyslík, sa tam nachádzajú len vo veľmi malom množstve. To je veľká stopa.
V astronómii sú ťažšie prvky výsledkom života a smrti hviezd. Hviezdy ich vyrábajú vo svojom vnútri a pri explóziách ich rozhadzujú do okolia. Ak ich je niekde málo, znamená to, že prostredie ešte neprešlo výraznou hviezdnou „výrobou“. QSO1 preto pôsobí ako veľmi čistý kus raného vesmíru. Takmer surový materiál.
A práve to komplikuje klasický príbeh. Ak by tam predtým vzniklo veľa hviezd, ktoré by sa zrútili do menších čiernych dier a tie by sa následne spájali, očakávali by sme výraznejšie chemické stopy po hviezdach. Lenže tie tam skoro nie sú. Máme malý objekt, čistý plyn a v strede čiernu dieru s hmotnosťou 50 miliónov Sĺnk. To nie je drobná odchýlka. To je rana do modelov.
Webb naznačuje, že niektoré čierne diery sa mohli narodiť už obrovské
Najpravdepodobnejšie vysvetlenie je, že čierna diera v QSO1 nevyrástla pomaly z malých hviezdnych zvyškov. Skôr vznikla už ako masívny objekt. Jedna možnosť hovorí o priamom kolapse obrovského oblaku plynu. V takom prípade by sa plyn najprv nezmenil na hviezdy, ale zrútil by sa rovno do čiernej diery. Druhá možnosť siaha ešte ďalej, k veľmi raným fázam vývoja vesmíru.
Tu však treba brzdiť. Neznamená to, že vedci definitívne potvrdili primordiálne čierne diery. Tak ďaleko ešte nie sme. Objav však ukazuje, že scenár pomalého rastu z malých čiernych dier pri QSO1 veľmi nesedí. A to je pre astrofyzikov poriadne nepríjemná správa. Modely, ktoré roky pôsobili elegantne, zrazu musia zvládnuť objekt, ktorý je príliš hmotný, príliš skorý a zároveň príliš chemicky čistý.
Ak sa podobné prípady potvrdia aj pri ďalších objektoch, vývoj galaxií bude treba chápať menej jednoducho. Nie vždy musela najprv vzniknúť galaxia a až potom jej centrálna čierna diera. Pri niektorých systémoch to mohlo byť opačne. Najprv obrovská čierna diera. Potom materiál okolo nej. A až neskôr galaxia.
Ďalšie malé červené objekty môžu ukázať, či ide o výnimku alebo pravidlo
Astronómovia teraz analyzujú ďalšie podobné objekty, ktoré Webbov teleskop odhalil. QSO1 patrí medzi takzvané Little Red Dots, malé červené zdroje z raného vesmíru, ktoré sa ukázali byť oveľa zaujímavejšie, než naznačuje ich nenápadný vzhľad. Práve v nich sa môže skrývať odpoveď na to, ako rýchlo vznikali prvé supermasívne čierne diery.
Ak sa ukáže, že QSO1 nie je osamelý prípad, pôjde o veľký problém pre staré predstavy. Nie kozmetický. Základný. Znamenalo by to, že čierne diery neboli vždy len výsledkom vývoja galaxií, ale v niektorých prípadoch mohli byť ich štartérom.
A to je na tomto objave najlepšie. Webb nám neukázal hotovú odpoveď v peknom balíčku. Ukázal nám objekt, ktorý sa správa tak, akoby niekto v ranom vesmíre preskočil niekoľko krokov vývoja. Čierna diera tam už bola obrovská. Galaxia ju ešte len dobiehala.
