Črna luknja, ki ni nastala zaradi zvezdnega kolapsa 

Črna luknja v galaksiji Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, ki jo je JWST opazoval v zgodnjem vesolju (približno 700 milijonov let po velikem poku), je supermasivna črna luknja, ki je zrasla do svoje trenutne velikosti brez veliko večje galaksije, ki bi jo hranila. Po standardnem modelu zvezdne evolucije črne luknje nastanejo zaradi smrti večjih zvezd na koncu njihove življenjske poti, ko jim zmanjka goriva zaradi kolapsa zvezdnega jedra. Te črne luknje se povečujejo in se hranijo s snovjo iz veliko večje galaksije. Črna luknja v galaksiji Little Red Dot QSO1 ne ustreza temu modelu in je nova. Nastala je neposredno brez standardne zvezdne evolucije, tj. ni ostanek. kolapsa jedra velike umirajoče zvezde. Namesto tega gre bodisi za črno luknjo z neposrednim kolapsom (DCBH) bodisi za prvobitno črno luknjo (PBH). Črne luknje, ki niso nastale zaradi zvezdnega kolapsa, so bile teoretizirane že prej. To je dokaz, da črna luknja nastane s procesom, ki presega standardni zvezdna evolucija.  

Kako nastane črna luknja? Po standardnem modelu zvezdne evolucije so črne luknje končni produkti evolucije masivnih zvezd. Zvezde se sčasoma spreminjajo. 

Življenje zvezde se začne v velikih medzvezdnih oblakih plina in prahu v galaksiji z združevanjem plinov zaradi nizke temperature v žepe z visoko gostoto. Gruče postopoma zbirajo vedno več snovi in ​​rastejo. Na neki točki se gruče zaradi povečane gravitacijske sile navznoter zrušijo. Trenje med zrušitvijo segreje snov in rodi se zvezda. To je faza protozvezde v življenjskem ciklu zvezde. Gravitacijski zrušitev se nadaljuje, kar vodi do postopnega zvišanja temperature in tlaka v jedru protozvezde. Sčasoma temperatura in tlak postaneta dovolj visoka, da se lahko vodikova jedra združijo. Jedrska fuzija sprosti ogromno energije, ki dovolj segreje snov, da prepreči nadaljnji zrušitev pod vplivom gravitacije. To je "glavna zaporedna faza" zvezde. Vodik je glavno gorivo. 

Ko zmanjka goriva, se jedrska fuzija ustavi in ​​ni več energije za segrevanje materialov, da bi uravnotežili notranjo silo gravitacije, jedro pa se sesede in za seboj pusti kompakten ostanek. To je konec zvezde. Mrtva zvezda ali kompakten ostanek je bodisi bela pritlikavka bodisi nevtronska zvezda ali Črna luknja odvisno od mase prvotne zvezde. Zvezde, težje od 20 sončnih mas (>20 M⦿), postanejo črne luknje na koncu zvezdne evolucije, ko zmanjka goriva. To je standardni način – najprej nastanejo zvezde in galaksije, črne luknje pa kasneje, kot končna faza zvezdne evolucije. Masa takšnih črnih lukenj je veliko manjša od celotne mase galaksije. 

Nezvezdno nastajanje črnih lukenj

Ali lahko črne luknje nastanejo drugače kot s kolapsom zvezdnega jedra? Teoretizirana sta bila dva "ne-zvezdna" kanala nastanka. 

V zgodnjem vesolju se lahko velik oblak prvobitnega plina sesede neposredno v črno luknjo, pri čemer zaobide normalno nastajanje in evolucijo zvezd, kar povzroči nastanek tako imenovanih črnih lukenj z neposrednim sesedanjem (DCBH). Druge hipotetične črne luknje, ki so nastale neposredno brez vpletenosti standardne zvezdne evolucije, so prvobitne črne luknje (PBH). PBH so ostanki velikega poka, ki so nastale v ekstremnih nihanjih gostote zelo zgodnjega vesolja kmalu po velikem poku. 

Črne luknje, ki nastanejo skozi "nezvezdne" kanale, so le teoretizirane, kot take so hipotetične. Vendar so se stvari začele hitro spreminjati z izstrelitvijo JWST decembra 2021, infrardečega vesoljskega observatorija, namenjenega preučevanju zgodnjega vesolja.

Vesoljski teleskop James Webb (JWST) revolucionira študijo zgodnjega vesolja 

JWST je opravil več opazovanj, ki postavljajo pod vprašaj naše razumevanje zgodnjega vesolja. Opazovanje galaksije JADES-GS-z14-0 pri rdečem premiku 14.32, zaradi česar je to najbolj oddaljena znana galaksija. Ta galaksija je nastala v zgodnjem vesolju približno 290 milijonov let po velikem poku, vendar je velika, masivna in zelo svetleča galaksija. Ugotovljeno je bilo tudi, da je bogata s kovinami, kar pomeni, da so generacije masivnih zvezd že zaključile svojo življenjsko pot od rojstva do eksplozije supernove približno 290 milijonov let v zgodnjem vesolju. Podobno je bilo ugotovljeno, da je galaksija v zgodnjem vesolju GS-NDG-9422, ki datira približno milijardo let po velikem poku, kemično kompleksna in nima zvezd populacije III. Glede na trenutno razumevanje bi morala biti prva generacija zvezd zgodnjega vesolja zvezde populacije III z ničelno metalnostjo. (V astronomiji se vsak element, težji od helija, šteje za kovino. Kemične nekovine, kot so kisik, dušik itd., so v kozmološkem kontekstu kovine. Zvezde se v vsaki generaciji po dogodku supernove obogatijo s kovinami). 

JWST je v zgodnjem vesolju opazoval tudi supermasivne črne luknje. Ena takih črnih lukenj je bila stara približno 700 milijonov let po velikem poku in je merila približno nekaj milijonovkrat večjo maso Sonca. Vse se je začelo z opazovanjem majhnih rdečih pik (LRD), ki so bile opažene v prvi objavi podatkov JWST leta 2022. Ti rdeče obarvani kompaktni objekti so imeli spektre v obliki črke V in so kazali emisijo vodikovega plina z visoko hitrostjo. 

Zveza Mala rdeča pika QSO1 (ali Abell2744-QSO1) 

QSO1 (ali Abell2744-QSO1) je prototip male rdeče pike s premerom približno 1,300 svetlobnih let in razdaljo več kot 13 milijard svetlobnih let. Obstajala je v zgodnjem vesolju le 700 milijonov let po velikem poku. Gravitacijsko jo leči galaksijska kopica Abell 2744 (Pandorina kopica), zato je povečana in trikrat posneta, pojavlja pa se na treh različnih lokacijah na nebu. Posledično je QSO1 lažje preučevati kot večino drugih malih rdečih pik. 

Podrobna študija te male rdeče pike (LRD) je raziskovalce pripeljala do zaključka, da so bile nekatere supermasivne črne luknje že od samega začetka ogromne. Nastale so brez faze zvezdnega kolapsa in brez bistveno masivnejše gostiteljske galaksije, ki bi jih hranila. 

QSO je kratica za kvazizvezdni objekt (običajno imenovan kvazar). 

Začetne študije so pokazale, da je QSO1 več kot le oblak žarečega vodika in helija, ki kroži okoli supermasivne črne luknje z maso približno 40 milijonov krat večjo od mase Sonca. Vendar pa je obstajala negotovost glede tega, ali je res tako masiven. To pa zato, ker so bile do sedaj vse meritve mase črnih lukenj v zgodnjem vesolju posredne, na podlagi predpostavk o tem, kar vemo o njih v lokalnem vesolju. Nismo vedeli, ali te predpostavke resnično veljajo za zgodnje vesolje. 

Raziskovalci so ugotovili, da če je črna luknja QSO1 res tako ogromna, bi morali biti sposobni uporabiti enoto integralnega polja (IFU) na JWST za sledenje vplivom njene gravitacije na plin, ki se vrti okoli nje, hkrati pa kartirati porazdelitev različnih elementov v plinu. Zato so uporabili opazovanja IFU in kartirali gibanje vodikovega plina, ki obdaja črno luknjo. 

Graf hitrosti vrtenja kot funkcije oddaljenosti od središča je pokazal, da ima plin Keplerjevo gibanje, kar pomeni, da je večina mase Little Red Dot QSO1 skoncentrirana v črni luknji v središču. Če bi bila masa porazdeljena, plin ne bi krožil okoli osrednje točke na popoln Keplerjev način, tako kot planeti krožijo okoli Sonca v Osončju. 

Ker Keplerjevo gibanje urejajo zakoni gravitacije, so meritve hitrosti plina raziskovalcem omogočile neposreden izračun mase črne luknje. To je bila prva neposredna meritev mase črne luknje v zgodnjem vesolju. Ugotovljeno je bilo, da ima črna luknja QSO1 približno 50 milijonov sončnih mas. Poleg tega ima ta črna luknja dve tretjini celotne mase QSO1. To je zelo redko, saj supermasivne črne luknje v bližnjih galaksijah običajno predstavljajo le majhen del celotne mase gostiteljske galaksije.

Nadalje je analiza kart sestave IFU pokazala, da je plin v QSO1 skoraj v celoti sestavljen iz vodika in helija. Galaksija, bogata z zvezdami in zvezdnimi ostanki, bi morala imeti težje elemente, kot je kisik, vendar ima QSO1 izjemno nizko metalnost, manj kot 0.5 % Sonca, kar pomeni, da ima QSO1 zelo neokrnjeno galaktično okolje.

Ogromna masa QSO1 glede na njegovo gostiteljsko galaksijo nakazuje, da ni smela nastati s postopnim združevanjem in hranjenjem manjših črnih lukenj z zvezdno maso. Očitno črna luknja Little Red Dot QSO1 predhodi procesu zvezdne evolucije. Lahko bi se razvila iz težkega semena, ki je nastalo v prvi sekundi velikega poka (prvobitna črna luknja) ali nekoliko kasneje zaradi kolapsa velikanskega oblaka plina (črna luknja z neposrednim kolapsom) in je morda v zgodnjih fazah gradnje galaksije okoli sebe. Trenutno ni mogoče reči, ali je supermasivna črna luknja Little Red Dot QSO1 prvobitna črna luknja (PBH) ali črna luknja z neposrednim kolapsom (DCBH); vendar obstajajo dokazi o nezvezdnem nastanku črnih lukenj v zgodnjem vesolju.

***

Reference: 

1. Maiolino R., sod 2026. Črna luknja v skoraj neokrnjeni galaksiji 700 milijonov let po velikem poku. Mesečna obvestila Kraljevega astronomskega društva, letnik 548, številka 1, maj 2026, staf2109. Objavljeno 06. aprila 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. idr. Neposredna meritev mase črne luknje v majhni rdeči piki pri visokem rdečem premiku. Nature 653, 1017–1021 (2026). Objavljeno 27. maja 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Nasin Webb razkriva črno luknjo, ki je nastala pred njeno galaksijo. Objavljeno 27. maja 2026. Na voljo na https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Sorodni članki 

Vesoljski teleskop James Webb (JWST): prvi vesoljski observatorij, posvečen preučevanju zgodnjega vesolja (6 november 2021) 

Študija zgodnjega vesolja: eksperiment REACH za odkrivanje izmuzljive 21-cm črte iz kozmičnega vodika(3 avgust 2022) 

Rjave pritlikavke (BD): teleskop James Webb identificira najmanjše telo, oblikovano na način, podoben zvezdi (5 januar 2024) 

Najstarejša črna luknja iz zgodnjega vesolja izpodbija model nastanka črne luknje (24 januar 2024) 

Zgodnje vesolje: najbolj oddaljena galaksija »JADES-GS-z14-0« izziva modele nastanka galaksij (12 avgust 2024) 

Paradoks s kovinami bogatih zvezd v zgodnjem vesolju (27 september 2024)

***