Czarna dziura, która nie powstała w wyniku kolapsu gwiazdy 

Czarna dziura w Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1 obserwowana przez JWST we wczesnym wszechświecie (około 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu) jest supermasywną czarną dziurą, która urosła do obecnych rozmiarów bez znacznie większej galaktyki, która mogłaby ją wyżywić. Zgodnie ze standardowym modelem ewolucji gwiazd, czarne dziury powstają w wyniku śmierci większych gwiazd pod koniec ich cyklu życia, gdy wyczerpują się im paliwo w wyniku zapadnięcia się jądra gwiazdy. Te czarne dziury zwiększają swój rozmiar żywiąc się materią ze znacznie większej galaktyki. Czarna dziura Little Red Dot QSO1 nie pasuje do tych ram i jest nowa. Powstaje bezpośrednio bez standardowej ewolucji gwiazd, tj. nie jest pozostałością zapadnięcia się jądra dużej, umierającej gwiazdy. Zamiast tego jest to albo czarna dziura powstała w wyniku bezpośredniego zapadnięcia (DCBH), albo pierwotna czarna dziura (PBH). Wcześniej teoretyzowano, że czarne dziury nie powstały w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. Jest to dowód na to, że czarna dziura powstała w procesie wykraczającym poza standardowy ewolucja gwiazd.  

Jak powstaje czarna dziura? Zgodnie ze standardowym modelem ewolucji gwiazd, czarne dziury są końcowym etapem ewolucji masywnych gwiazd. Gwiazdy ulegają zmianom z upływem czasu. 

Życie gwiazdy zaczyna się w dużych międzygwiazdowych obłokach gazu i pyłu w galaktyce od skupisk gazów z powodu niskiej temperatury do kieszeni o wysokiej gęstości. Skupiska stopniowo gromadzą coraz więcej materii i rosną. W pewnym momencie skupiska zapadają się z powodu zwiększonej siły grawitacyjnej. Tarcie podczas zapadania się podgrzewa materię i rodzi się młoda gwiazda. Jest to etap protogwiazdy w cyklu życia gwiazdy. Zapadanie się grawitacyjne trwa dalej, prowadząc do stopniowego wzrostu temperatury i ciśnienia w jądrze protogwiazdy. Z czasem temperatura i ciśnienie stają się wystarczająco wysokie, aby umożliwić fuzję jąder wodoru. Fuzja jądrowa uwalnia ogromną ilość energii, która nagrzewa materię na tyle, aby zapobiec dalszemu zapadaniu się pod wpływem grawitacji. Jest to „etap ciągu głównego” gwiazdy. Wodór jest głównym paliwem. 

Kiedy paliwo się wyczerpie, synteza jądrowa ustaje i nie ma energii potrzebnej do ogrzania materii, aby zrównoważyć siłę grawitacji, a rdzeń zapada się, pozostawiając zwartą pozostałość. To koniec gwiazdy. Martwa gwiazda lub zwarta pozostałość to albo biały karzeł, albo gwiazda neutronowa, albo… czarna dziura w zależności od masy pierwotnej gwiazdy. Gwiazdy o masie większej niż 20 mas Słońca (>20 M⦿) stają się czarnymi dziurami pod koniec ewolucji gwiazd, gdy wyczerpie się paliwo. Jest to standardowy proces – najpierw formują się gwiazdy i galaktyki, a czarne dziury powstają później, jako końcowy etap ewolucji gwiazd. Masa takich czarnych dziur jest znacznie mniejsza niż całkowita masa galaktyki. 

Niegwiazdowe powstawanie czarnych dziur

Czy czarne dziury mogą powstawać w inny sposób niż poprzez zapadanie się jądra gwiazdy? Teoretyzowano dwa „niegwiazdowe” kanały powstawania. 

We wczesnym Wszechświecie duży pierwotny obłok gazu może zapaść się bezpośrednio w czarną dziurę, omijając normalny proces formowania się i ewolucji gwiazd, dając początek temu, co nazywamy Czarnymi Dziurami Bezpośredniego Zapadu (DCBH). Inne hipotetyczne czarne dziury powstałe bezpośrednio, bez udziału standardowej ewolucji gwiazd, to Pierwotne Czarne Dziury (PBH). PBH to pozostałości Wielkiego Wybuchu, które powstały w wyniku ekstremalnych fluktuacji gęstości bardzo wczesnego Wszechświata, wkrótce po nim. 

Czarne dziury powstałe w kanałach „niegwiazdowych” są jedynie teoretyzowane, a zatem są hipotetyczne. Sytuacja zaczęła się jednak szybko zmieniać wraz z wystrzeleniem w grudniu 2021 roku teleskopu JWST, kosmicznego obserwatorium w podczerwieni poświęconego badaniom wczesnego Wszechświata.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) rewolucjonizuje badania wczesnego wszechświata 

JWST dokonał kilku obserwacji, które podważają nasze rozumienie wczesnego Wszechświata. Obserwacja galaktyki JADES-GS-z14-0 przy przesunięciu ku czerwieni równym 14.32, co czyni ją najodleglejszą znaną galaktyką. Galaktyka ta powstała we wczesnym Wszechświecie około 290 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a mimo to jest dużą, masywną i bardzo jasną galaktyką. Stwierdzono również, że jest bogata w metale, co oznacza, że ​​generacje masywnych gwiazd zakończyłyby już swoje cykle życia od narodzin do wybuchu supernowej około 290 milionów lat we wczesnym Wszechświecie. Podobnie, galaktyka GS-NDG-9422 z wczesnego Wszechświata, datowana na około miliard lat po Wielkim Wybuchu, okazała się być złożoną chemicznie i nie zawierała gwiazd populacji III. Zgodnie z obecną wiedzą, pierwszą generacją gwiazd wczesnego Wszechświata powinny być gwiazdy populacji III o zerowej metaliczności. (W astronomii każdy pierwiastek cięższy od helu jest uważany za metal. Niemetale chemiczne, takie jak tlen, azot itp., są metalami w kontekście kosmologicznym. Gwiazdy wzbogacają się w metale w każdym pokoleniu po wybuchu supernowej). 

JWST zaobserwował również supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie. Jedna z takich czarnych dziur pochodziła około 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu i miała masę około kilku milionów razy większą od masy Słońca. Wszystko zaczęło się od obserwacji przez JWST małych czerwonych kropek (LRD), które zostały dostrzeżone w pierwszym opublikowanym przez JWST zestawie danych w 2022 roku. Te czerwone, zwarte obiekty miały widma w kształcie litery V i wykazywały emisję z wodoru o dużej prędkości. 

Mała Czerwona Kropka QSO1 (lub Abell2744-QSO1) 

QSO1 (lub Abell2744-QSO1) to prototypowa Mała Czerwona Kropka o średnicy około 1,300 lat świetlnych i odległości ponad 13 miliardów lat świetlnych. Istniała we wczesnym Wszechświecie zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Jest soczewkowana grawitacyjnie przez gromadę galaktyk Abell 2744 (Gromada Pandory), dlatego jest zarówno powiększona, jak i potrójnie sfotografowana, pojawiając się w trzech różnych miejscach na niebie. Dzięki temu QSO1 jest łatwiejsza do zbadania niż większość innych Małych Czerwonych Kropek. 

Szczegółowe badania tej Małej Czerwonej Kropki (LRD) doprowadziły naukowców do wniosku, że niektóre supermasywne czarne dziury były ogromne od samego początku. Powstały bez fazy kolapsu gwiazdy i bez znacznie masywniejszej galaktyki macierzystej, która mogłaby je zasilać. 

QSO to skrót od Quasi-Stellar Object (powszechnie nazywany kwazarem). 

Wstępne badania wykazały, że QSO1 to coś więcej niż tylko obłok świecącego wodoru i helu krążący wokół supermasywnej czarnej dziury o masie około 40 milionów mas Słońca. Nie było jednak pewności, czy rzeczywiście jest ona tak masywna. Wynikało to z faktu, że dotychczas wszystkie pomiary masy czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie były pośrednie, oparte na założeniach wynikających z naszej wiedzy o nich we Wszechświecie lokalnym. Nie wiedzieliśmy, czy te założenia rzeczywiście odnoszą się do wczesnego Wszechświata. 

Naukowcy uznali, że jeśli czarna dziura QSO1 jest rzeczywiście tak masywna, powinni być w stanie wykorzystać jednostkę pola całkowego (IFU) na JWST do śledzenia wpływu jej grawitacji na gaz wirujący wokół niej, a także do mapowania rozmieszczenia różnych pierwiastków w tym gazie. Dlatego wykorzystali obserwacje IFU i sporządzili mapę ruchu wodoru otaczającego czarną dziurę. 

Wykres prędkości obrotowej jako funkcji odległości od środka ujawnił, że gaz poruszał się zgodnie z ruchem keplerowskim, co oznacza, że ​​większość masy Małej Czerwonej Kropki QSO1 jest skoncentrowana w czarnej dziurze w centrum. Gdyby masa była rozproszona, gaz nie krążyłby wokół punktu centralnego w sposób idealnie keplerowski, tak jak planety krążą wokół Słońca w Układzie Słonecznym. 

Ponieważ ruch keplerowski podlega prawom grawitacji, pomiary prędkości gazu umożliwiły badaczom bezpośrednie obliczenie masy czarnej dziury. Był to pierwszy bezpośredni pomiar masy czarnej dziury we wczesnym Wszechświecie. Stwierdzono, że czarna dziura QSO1 ma masę około 50 milionów mas Słońca. Co więcej, ta czarna dziura stanowi dwie trzecie całkowitej masy QSO1. Jest to bardzo rzadkie zjawisko, ponieważ supermasywne czarne dziury w pobliskich galaktykach zazwyczaj stanowią jedynie niewielki ułamek całkowitej masy galaktyki macierzystej.

Co więcej, analiza map składu IFU wykazała, że ​​gaz w QSO1 składa się niemal wyłącznie z wodoru i helu. Galaktyka bogata w gwiazdy i pozostałości po gwiazdach powinna zawierać cięższe pierwiastki, takie jak tlen, ale QSO1 charakteryzuje się wyjątkowo niską metalicznością, mniejszą niż 0.5% metaliczności Słońca, co sugeruje, że QSO1 ma niezwykle czyste środowisko galaktyczne.

Ogromna masa QSO1 w stosunku do galaktyki macierzystej sugeruje, że nie mogła ona powstać w wyniku stopniowego łączenia się i karmienia mniejszych czarnych dziur o masie gwiazdowej. Najwyraźniej czarna dziura Little Red Dot QSO1 poprzedza proces ewolucji gwiazd. Mogła ewoluować z ciężkiego ziarna, które powstało w pierwszej sekundzie Wielkiego Wybuchu (pierwotna czarna dziura) lub nieco później z kolapsu gigantycznej chmury gazu (bezpośrednio kolapsująca czarna dziura) i może znajdować się we wczesnych stadiach budowy galaktyki wokół niej. W tej chwili nie można stwierdzić, czy supermasywna czarna dziura Little Red Dot QSO1 jest pierwotną czarną dziurą (PBH), czy też czarną dziurą z bezpośrednim kolapsem (DCBH); istnieją jednak dowody na niegwiazdowe formowanie się czarnych dziur we wczesnym wszechświecie.

***

Referencje: 

1. Maiolino R., i wsp 2026. Czarna dziura w niemal dziewiczej galaktyce sprzed 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, tom 548, numer 1, maj 2026, staf2109. Opublikowano 06 kwietnia 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. i in. Bezpośredni pomiar masy czarnej dziury w małej czerwonej kropce przy dużym przesunięciu ku czerwieni. Nature 653, 1017–1021 (2026). Opublikowano 27 maja 2026 r. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Webb NASA ujawnia czarną dziurę, która powstała przed galaktyką. Opublikowano 27 maja 2026 r. Dostępne na https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Powiązane artykuły 

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST): pierwsze obserwatorium kosmiczne poświęcone badaniu wczesnego Wszechświata (6 Listopad 2021) 

Badanie wczesnego wszechświata: eksperyment REACH w celu wykrycia nieuchwytnej 21-centymetrowej linii z kosmicznego wodoru(3 August 2022) 

Brązowe karły (BD): Teleskop Jamesa Webba identyfikuje najmniejszy obiekt uformowany na wzór gwiazdy (5 January 2024) 

Najstarsza czarna dziura z wczesnego Wszechświata rzuca wyzwanie modelowi powstawania czarnych dziur (24 January 2024) 

Wczesny Wszechświat: Najdalsza galaktyka „JADES-GS-z14-0” rzuca wyzwanie modelom formowania się galaktyk (12 August 2024) 

Paradoks gwiazd bogatych w metale we wczesnym wszechświecie (27 września 2024)

***