A James Webb-űrtávcső egy rakás pontszerű, vörös égitestet fedezett fel a korai világegyetemben, amelyek talán porba burkolózott aktív fekete lyukak lehetnek. Az egyik ilyen objektumról végzett legújabb megfigyelések arra engednek következtetni, hogy egy olyan fekete lyukról van szó, amely aránytalanul nagy a galaxisához képest.

Művészi illusztráció egy aktív galaxismagról, amelyet egy poros akkréciós korong vesz körül. (NASA/SOFIA/Lynette Cook)

A legtöbb galaxis belsejében találunk egy szupernagy tömegű fekete lyukat, és már a világegyetem történetének első egymilliárd évében is voltak olyan galaxisok, amelyekben a Napnál több milliószor nagyobb tömegű fekete lyuk rejtőzött. Az azonban, hogy miként tettek szert ezek a fekete lyukak ilyen nagy tömegre ennyire rövid idő alatt, még nyitott kérdés. Vajon a haldokló csillagokból lett kis fekete lyukak szedtek magukra annyi gázt, hogy szupernagy tömegűvé váljanak néhány százmillió év alatt, vagy már eleve sokkal nagyobb fekete lyukként kezdték életüket?

Mindkét lehetőségnek megvannak a határai: egyelőre nem tudjuk, hogyan táplálkozhattak a csillagtömegű fekete lyukak olyan sebességgel, hogy szupernagy tömegű fekete lyukká fejlődjenek, de még arra sincs közvetlen bizonyítékunk, hogy nagy tömegű fekete lyukak magjai alakultak volna ki. Ahhoz, hogy még többet tudjanak meg ezekről az óriásokról, a kutatóknak össze kellett gyűjteniük a korai univerzum objektumairól végzett megfigyeléseket.

Egy ősi gázfelhő fekete lyukká történő összeomlása az egyik lehetséges módja annak, hogy szupernagy tömegű fekete lyukak magjai alakuljanak ki a 104–105 naptömeg-tartományban. (NASA/CXC/M. Weiss; CC BY 4.0)

Vaszilij Kokorev (Kapteyn Csillagászati Intézet) munkatársaival utánkövetéses vizsgálatokat végzett az egyik vörös pontforráson, amelyet a James Webb-űrtávcső UNCOVER programja talált. Az UNCOVER ID 20466 jelű forrás spektruma felfedte, hogy az égitest vöröseltolódása z=8,5, vagyis az Ősrobbanás után 600 millió évvel létezett.

A tanulmányban vizsgált forrás kétdimenziós spektruma (fent), valamint ebből származtatott egydimenziós spektruma (lent). (Kokorev et al. 2023)

A forrás vöröses színe és pontszerű természete arra utal, hogy egy aktív galaxismagot – a környezetétől gázt elvonó szupernagy tömegű fekete lyukat – rejtő galaxissal van dolgunk, amely poros gázba burkolózik. Ezt alátámasztja az objektum spektruma is, amely széles és keskeny emissziós vonalak keverékéből áll. A széles emissziós vonalak a központi fekete lyuk közelében lévő nagy sűrűségű, nagy sebességű gázból, míg a keskeny vonalak a magtól távolabb lévő, kevésbé sűrű gázból származnak. Ez a legtávolabbi aktív galaxismag, amelynek spektrumában a kutatók egyértelműen széles emissziós vonalakat rögzítettek.

A távoli galaxis központjában lévő fekete lyuk tömege több mint 100 millió naptömeg, ami azt jelenti, hogy a galaxis tömegének legalább 30%-át a fekete lyuk teszi ki. Ez az arány sokkal nagyobb annál, mint amit a lokális univerzumban a szupernagy tömegű fekete lyukaknál vagy a korai univerzum átlagos fekete lyukainak esetében látunk. Hogy nőhetett meg ilyen rövid idő alatt ekkorára ez a fekete lyuk, és vajon miért olyan nagy a galaxisához képest?

A megfigyelt fekete lyukak tömege és kora (szimbólumokkal jelölve), valamint a lehetséges feketelyuk-tömegek az idő függvényében, amelyek az Eddington-féle akkrécióval egy 100 naptömegű maghoz (piros vonal) vagy egy 104 naptömegű maghoz (szürke vonal) vezetnek. (Kokorev et al. 2023)

A kutatók szerint a fekete lyuk magja úgy jött létre, hogy egy ősi gázfelhő 104 naptömegű fekete lyukká omlott össze. Ebben a forgatókönyvben a fekete lyuk képes elérni a megfigyelt tömeget a megadott időn belül anélkül, hogy túllépné az Eddington-határt, vagyis az akkréciós sebesség elméleti maximumát. Ezen a módon létrejöhetnek olyan fekete lyukak is, amelyek a galaxisukhoz viszonyítva nagyok.

Az is lehetséges, hogy a fekete lyuk magja kisebb, nagyjából 100 naptömegű, amennyiben képes több százmillió éven át a szuper-Eddington akkrécióra. A folyamat pontos menete még rejtély, főként akkor, ha anélkül menne végbe, hogy a galaxis csillagtömege a fekete lyukéval együtt növekedne. Ahogy a James Webb-űrtávcső felfedi a nagy vöröseltolódású univerzum részleteit, egyre többet fogunk megtudni arról, hogy miként jönnek létre és csíráznak ki a fekete lyukak magvai.

Forrás: AAS Nova