Na pierwszy rzut oka to tylko kolejny słaby obiekt w głębokim polu. Jednak jego widmo, czyli rozkład światła na różne długości fal, kompletnie nie pasuje do żadnej znanej kategorii. Nie wygląda ani jak typowa galaktyka, ani jak klasyczne aktywne jądro z supermasywną czarną dziurą, ani jak pojedyncza gwiazda.
Dlatego astronomowie zaczęli coraz poważniej mówić o tym, że możemy mieć do czynienia z zupełnie nowym typem kosmicznego „potwora”. Obiektem, który działa jak skrzyżowanie supermasywnej czarnej dziury z gwiazdą, i który może wymusić korektę tego, jak opowiadamy historię powstawania galaktyk we wczesnym wszechświecie.
Czerwone punkty z bardzo młodego kosmosu
Historia zaczęła się, gdy naukowcy zaczęli analizować pierwsze głębokie zdjęcia z Webba. Pośród tysięcy obiektów regularnie pojawiały się niewielkie, wyjątkowo czerwone punkty. W astronomii „czerwony” zwykle oznacza, że obiekt świeci głównie w dłuższych falach, na przykład w podczerwieni, i że jego światło zostało mocno przesunięte przez rozszerzanie się wszechświata.
Kiedy policzono, z jakich odległości musi do nas docierać to światło, okazało się, że patrzymy prawie 12 miliardów lat w przeszłość. Wszechświat miał wtedy niespełna 2 miliardy lat. To epoka, w której galaktyki dopiero się organizują, a supermasywne czarne dziury, jakie znamy z centrów współczesnych galaktyk, powinny dopiero „dochodzić do siebie” po swoich początkach.
Problem w tym, że widma tych czerwonych kropek nijak nie pasowały do obrazka z podręczników. Gdy naukowcy próbowali dopasować dane do znanych modeli galaktyk lub aktywnych jąder, coś zawsze się rozjeżdżało. To był pierwszy sygnał, że mamy do czynienia z czymś nietypowym.
Ekstremalne galaktyki czy czarne dziury w przebraniu
Pierwsza interpretacja była dość szalona. Zakładała, że te czerwone punkty to ekstremalnie gęste galaktyki, napakowane gwiazdami tak bardzo, że w jednym roku świetlnym sześciennym można by zmieścić setki tysięcy gwiazd. Gdyby to była prawda, wszechświat musiałby tworzyć gwiazdy w tempie, którego nie przewiduje żaden standardowy model.
Szybko pojawiła się alternatywa: może wcale nie dominuje tam światło gwiazd, ale światło padające z dysku wokół supermasywnej czarnej dziury, ukrytej w centrum młodej galaktyki. Taki obiekt nazywamy aktywnym jądrem galaktyki. Gęsty pył i gaz mogłyby tłumaczyć, skąd tak silne „zaczerwienienie” i dziwny kształt widma.
Tyle że i ten scenariusz miał problem. Widma nie wyglądały jak klasyczne aktywne jądra, a masy czarnych dziur, potrzebne do wyjaśnienia jasności, wychodziły podejrzanie duże. Charakterystyczne linie widmowe też nie układały się tak, jak w znanych przykładach. Innymi słowy, wszystko było „prawie” podobne, ale kluczowe szczegóły nie chciały się zgodzić.
Program RUBIES i obiekt ochrzczony „The Cliff”
Żeby wyjść z impasu, potrzebne były dokładniejsze dane. Zespół astronomów uruchomił duży program obserwacyjny RUBIES, w ramach którego Webb zebrał widma tysięcy bardzo odległych galaktyk i kilkudziesięciu tych niezwykłych czerwonych punktów.
Wśród nich wyróżnił się jeden obiekt, który dostał nieformalną nazwę „The Cliff”, czyli „Urwisko”. Nazwa nie jest przypadkowa. W jego widmie widać gwałtowny spadek jasności przy konkretnej długości fali, przypominający urwany klif na wykresie. To tak zwana przerwa Balmera, dobrze znana z widm gwiazd i galaktyk, ale tutaj jest wyjątkowo ostra i głęboka.
Analizy pokazały, że „The Cliff” jest widoczny takim, jaki był około 11,9 miliarda lat temu. A mimo tej ogromnej odległości jego światło jest na tyle jasne i charakterystyczne, że da się zrekonstruować szczegóły fizyczne procesu, który w nim zachodzi. I tu zaczyna się prawdziwy problem z klasycznymi modelami.
Coś jak galaktyka, coś jak gwiazda, ale jednak inne
Kiedy badacze próbowali dopasować widmo „The Cliff” do różnych typów galaktyk, wyniki wyglądały sztucznie. Modele wymagały absurdalnie szybkiego tempa tworzenia gwiazd lub bardzo dziwnych proporcji pyłu i gazu. Gdy traktowano obiekt jak aktywne jądro, dane też nie chciały „siąść”.
W pewnym momencie okazało się, że widmo w niektórych zakresach bardziej przypomina pojedynczą, bardzo masywną gwiazdę niż całą galaktykę. Tyle że skala jasności i inne cechy teoretycznie na to nie pozwalały. To było trochę tak, jakby ktoś w jednej bryle połączył cechy gwiazdy i aktywnej czarnej dziury.
To zderzenie faktów doprowadziło do pomysłu, który dziś krąży w literaturze pod skrótem BH*. Za tym suchym oznaczeniem kryje się bardzo obrazowa koncepcja: „gwiazda czarnej dziury”.
Gwiazda czarnej dziury, czyli BH*
Wyobraź sobie obiekt, w którego centrum siedzi czarna dziura o ogromnej masie, otoczona dyskiem materii wirującej z zawrotną prędkością. To klasyczne aktywne jądro. Teraz dołóż do tego grubą, gęstą otoczkę gazową, zdominowaną przez wodór, która przykrywa to wszystko niczym kulista atmosfera.
Ta gazowa otoczka pochłania energię płynącą z gorącego dysku i rejonów wokół czarnej dziury, a następnie świeci niczym powierzchnia gwiazdy. Tyle że zamiast spokojnego, w miarę przewidywalnego wnętrza gwiazdy, w środku mamy ekstremalnie gwałtowne środowisko czarnej dziury, z potężnymi turbulencjami, szokami i strumieniami materii.
Z dużej odległości taki obiekt może więc wyglądać jak pojedyncza, bardzo jasna gwiazda, ale tak naprawdę jest kompaktowym układem „czarna dziura plus atmosfera z gazu”, zachowującym się jak coś pośredniego między gwiazdą a aktywnym jądrem galaktyki. To właśnie ma być gwiazda czarnej dziury.
Jak BH* może rozwiązać zagadkę wczesnego wszechświata
Dlaczego ta koncepcja jest dla astronomów tak kusząca? Bo nie chodzi tylko o wyjaśnienie jednego dziwnego widma. Jeśli BH* rzeczywiście istnieją, mogłyby pomóc odpowiedzieć na większe pytanie: jak we wczesnym wszechświecie w ogóle zdołały w tak krótkim czasie wyrosnąć czarne dziury o masach milionów czy miliardów Słońc.
Gęsta otoczka gazowa może zasilać czarną dziurę niemal „od środka”, pozwalając jej rosnąć szybciej niż w klasycznym scenariuszu, w którym musi „wyłapywać” rozproszony gaz z otoczenia. Jednocześnie taka struktura tłumaczy niezwykły kształt widma: przerwa Balmera i ogólny rozkład światła wynikają właśnie z zachowania tej rozgrzanej, radiującej atmosfery.
Jeśli „The Cliff” jest przykładem takiego obiektu, to inne czerwone kropki mogą być mieszanką światła z BH* i z reszty galaktyki, w której dana gwiazda czarnej dziury jest osadzona. To sprawia, że cała grupa pozornie podobnych obiektów nagle zaczyna układać się w spójną opowieść.
Otwarte pytania, na które Webb dopiero będzie odpowiadał
Naukowcy podchodzą do tematu z entuzjazmem, ale i z ostrożnością. BH* na razie istnieją w modelach i w kilku zestawach danych, które można w ten sposób wytłumaczyć. To dopiero początek, niegotowy rozdział w podręczniku.
Przede wszystkim trzeba ustalić, jak takie obiekty powstają. Czy są etapem przejściowym w życiu młodej galaktyki, czy raczej czymś, co może przetrwać dłużej? Jak długo czarna dziura jest w stanie „utrzymać” swoją gazową atmosferę, zanim ją rozproszy lub wchłonie? I jak często taki scenariusz naprawdę zachodzi, a nie jest tylko egzotycznym wyjątkiem?
Na szczęście Webb ma zaplanowane kolejne serie obserwacji. Z czasem będziemy mieli więcej widm podobnych obiektów, co pozwoli sprawdzić, czy „The Cliff” jest wyjątkową ciekawostką, czy reprezentantem całej, nowej rodziny kosmicznych tworów.
W tej historii jest coś bardzo charakterystycznego dla współczesnej nauki. Najpierw budujemy instrument, który widzi więcej i dalej niż wszystko, co mieliśmy wcześniej. Potem w danych znajdujemy coś, co wyłamuje się ze schematów. Przez jakiś czas próbujemy na siłę dopasować nową rzecz do starych kategorii. A gdy to się nie udaje, jesteśmy zmuszeni wymyślić nową opowieść.
Nawet jeśli za kilka lat modele BH* zostaną dopracowane albo zastąpione jeszcze lepszym opisem, jedno już teraz jest jasne. Te niepozorne czerwone punkciki pokazują, że wczesny wszechświat mógł być dużo bardziej gwałtowny i kreatywny, niż sądziliśmy. Galaktyki nie powstawały powoli i grzecznie, ale często w towarzystwie czarnych dziur na kosmicznych dopalaczach.