Monstrualne obiekty kosmiczne. To miały być tylko małe czerwone kropki

W 2022 r., tuż po rozpoczęciu przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pierwszych właściwych obserwacji naukowych, astronomowie dostrzegli na pierwszych zdjęciach zagadkowe obiekty. Były to liczne, bardzo kompaktowe i czerwone punkty rozsiane po całym polu widzenia teleskopu. Hubble ich nigdy nie obserwował, bowiem najwięcej promieniowania od nich dociera do nas w zakresie średniej podczerwieni, a więc poza zasięgiem możliwości Hubble'a. Nie powinno zatem dziwić, że badacze bardzo szybko postanowili przyjrzeć się tym obiektom.

Prowadzone w kolejnych miesiącach obserwacje i pomiary tylko pogłębiły zagadkę tych nietypowych "małych, czerwonych kropek". Dane obserwacyjne wykazało, że najbliższe z tych obiektów znajdują się w odległości ok. 12 mld lat świetlnych od Ziemi, czyli widzimy je takimi, jakie były zaledwie 1,8 mld lat po Wielkim Wybuchu.

Rozgryzienie zagadki tożsamości tych obiektów nie należało do zadań łatwych. Część badaczy uznała je za niezwykle gęste, bogate w pył galaktyki o olbrzymiej liczbie gwiazd. Inni z kolei skłaniali się ku teorii, mówiącej o aktywnych jądrach galaktycznych (AGN) zanurzonych w kokonach gęstego pyłu. Obie hipotezy napotykały jednak na spore problemy: widma nie pasowały do znanych AGN, a scenariusz "ultragęstych galaktyk" zmuszałby badaczy do wyjaśnienia, jak na tak wczesnym etapie istnienia wszechświata powstawał taki ogrom gwiazd o łącznej masie setek miliardów mas Słońca.

Przełom przyniósł program RUBIES (ang. Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), kierowany przez Annę de Graaff z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu. Między styczniem a grudniem 2024 r. badacze uzyskali niemal 60 godzin czasu obserwacyjnego na teleskopie Jamesa Webba oraz widma 4,5 tys. odległych galaktyk. W ramach swoich prac naukowcy zidentyfikowali 35 "małych czerwonych kropek", w tym wyjątkowy obiekt nazwany "The Cliff".

Kluczową cechą widma obiektu "The Cliff" jest bardzo stromy "próg Balmera" – gwałtowny wzrost jasności poniżej fioletu, który zanim do nas dotarł został kosmologicznie przesunięty w zakres bliskiej podczerwieni. Naukowcy postanowili odtworzyć widmo tego obiektu tworząc modele zarówno zapylonych AGNów, jak i ultragęstych galaktyk. Żaden model nie był w stanie jednak odtworzyć widma tego tajemniczego obiektu.

Dopiero tu pojawił się zupełnie nowy scenariusz. Badacze ustalili, że małe czerwone kropki w rzeczywistości mogą być supermasywnymi czarnymi dziurami, które nie są otoczone dyskami akrecyjnymi, jak to ma zwykle miejsce, a grubą, turbulentną sferą wodoru. Taki obiekt można porównać do monstrualnej gwiazdy, w której centrum znajduje się supermasywna czarna dziura. Gęsty obłok wodoru w tym porównaniu odpowiadałby za swoistą atmosferę gwiazdy.

Warto tutaj pamiętać, że opisywany tu model to jedynie koncepcja, aczkolwiek już teraz znacznie lepiej opisuje ona obserwowane obiekty, niż jakakolwiek wcześniej. Co ważne, podobne konfiguracje rozważano teoretycznie dla czarnych dziur pośrednich mas, jako mechanizm szybkiego wzrostu w bardzo młodych galaktykach. JWST wykrył masywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie, więc małe czerwone kropki paradoksalnie mogą służyć za wyjaśnienie mechanizmu ich szybkiego powstawania.