JWST objevil „hvězdu“ 100 miliardkrát jasnější, než by měla být

Něco v mladém vesmíru září jako hvězda, což by nemělo být možné. Astronomové objevili „černou díru“, extrémně jasnou rudou skvrnu v raném vesmíru, která se jeví jako nový typ astrofyzikálního objektu. Připomíná obrovskou hvězdu, ale její produkce energie se blíží tomu, co by mohla generovat černá díra.

Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) detekoval kompaktní červený objekt tak svítivý, že ho běžná jaderná fúze nemůže věrohodně vysvětlit. Ačkoliv má zdroj hvězdný vzhled a může být obklopen plynem v měřítku Sluneční soustavy, vyzařuje zhruba 100 miliardkrát více energie, než by jakákoliv známá hvězda mohla fyzicky produkovat.

Hlavní vysvětlení je mnohem podivnější: záře může pocházet z rychle se krmící černé díry pohřbené uvnitř obrovské, husté obálky vodíku.

Hvězda černé díry v raném vesmíru
Astronomové tento navrhovaný typ objektu nazvali „hvězdou černé díry“. Pokud je interpretace správná, objev by mohl odhalit dosud nepozorovanou fázi růstu hmotných černých děr a pomoci vysvětlit jednu z nejtrvalejších záhad JWST, tj. hojnost kompaktních objektů známých jako „malé červené tečky“.

Objekt s názvem MoM-BH*-1 byl pozorován v době, kdy existoval jen několik set milionů let po Velkém třesku. Studie, která ho popisuje, byla publikována v časopise Nature.

„Náš obraz tohoto objektu se vyvíjí velmi rychle,“ říká hlavní autor Rohan Naidu, člen Hubbleova teleskopu HST (NASA) a člen Pappalardova týmu na Kavliho institutu pro astrofyziku a vesmírný výzkum (MKI) na MIT. „Myslíme si, že existuje centrální černá díra, která je 100 000krát hmotnější než Slunce. A kolem této černé díry by se nacházela velmi rozsáhlá obálka plynu, která vypadá jako hvězda o velikosti Sluneční soustavy. Je zkrátka obrovská.“

Záhadné malé červené tečky
JWST byl částečně postaven za účelem výzkumu prvních galaxií a černých děr a rychle začal nacházet objekty, které zpochybňovaly očekávání o tom, jak rychle se struktury formovaly po Velkém třesku. Mezi největší překvapení patří „malé červené tečky“, drobné a extrémně kompaktní zdroje, které se často objevují při pozorování vzdáleného vesmíru. Mnohé z nich vykazují známky, které by mohly naznačovat aktivní vyživování černých děr, přesto některé z jejich dalších vlastností vypadají spíše jako vlastnosti hvězd nebo galaxií.

„Zdá se, že tyto malé červené tečky jsou v raném vesmíru všude, ale v současnosti v podstatě mizí,“ říká Naidu. „Co přesně tyto objekty jsou, bylo jedním z nejdiskutovanějších témat éry JWST.“

MoM-BH*-1 by mohl nabídnout obzvláště jasný pohled na to, co se děje uvnitř alespoň některých z nich. Na rozdíl od typické malé červené tečky, u které může světlo z okolní galaxie komplikovat obraz, se zdá, že tomuto objektu dominuje samotný podivný centrální zdroj.

„Fata morgána nebo zázrak“
Vědci takový objekt konkrétně nehledali. Naidu a jeho kolegové ho objevili při hledání extrémně vzdálených galaxií prostřednictvím programu JWST, který nazvali „Mirage or Miracle“ (MoM) – fatamorgána nebo zázrak.

Název odráží problém, který se objevil krátce poté, co JWST začal studovat raný vesmír. Některé zdroje byly tak jasné, že se zdály být nečekaně masivními galaxiemi, které se vytvořily pozoruhodně rychle. Zdání však může klamat.

„Existuje záhada mnoha jasných galaxií, které se objevují v extrémně raných dobách,“ říká Naidu. „Zjistili jsme, že to, co vypadá jako extrémně jasná raná galaxie, alias ‚zázrak‘, by v některých případech ve skutečnosti mohlo být ‚fatamorgánou‘.“

MoM-BH*-1 byl výjimečně červený, jasný na delších vlnových délkách a téměř neviditelný na kratších vlnách. Spektroskopie jej později umístila na rudý posuv asi 7,76, hluboko do éry známé jako kosmický úsvit.

Proč je MoM-BH*-1 tak červený?
Astronomové mají často jednoduché vysvětlení pro neobvykle červené objekty: prach. Drobné částice obklopující hvězdu, galaxii nebo černou díru, mohou absorbovat a rozptylovat kratší vlnové délky světla, čímž objekt vypadá červeněji, než ve skutečnosti je.

„Když ve vesmíru vidíme něco velmi červeného, často předpokládáme, že je to obklopeno prachem, jako jsou saze nebo popel,“ vysvětluje Robert Simcoe, ředitel Kavli Institute. „Stejně jako kouř z lesních požárů v Kanadě nedávno způsobil, že obloha v Bostonu vypadala jasně červeně, mohou se i astronomické objekty jevit červenější než jejich vlastní barva, když je vidíte skrz závoj prachu.“

Objekt MoM-BH*-1 se však nechoval jako konvenční objekt zakrytý prachem.

Extrémní Balmerův zlom
Jeho spektrum obsahovalo mimořádně náhlou změnu známou jako Balmerův zlom (též Balmerova hrana). Pod určitou vlnovou délkou množství detekovaného světla prudce klesalo. Zlom byl mnohem silnější, než by astronomové očekávali od normální populace hvězd.

„Zlom, který jsme u tohoto objektu pozorovali, je nejhlubším zlomem, jaký jsme kdy u jakéhokoliv objektu pozorovali, což vylučuje ‚obyčejné‘ hvězdy jako zdroj,“ říká Naidu. „Ale přimělo nás to k zamyšlení, zda nevidíme nový druh ‚hvězdné atmosféry‘, ale ve velkolepém měřítku.“

Detailní pozorování tuto teorii posilují. Publikovaná analýza zjistila Balmerův zlom s naměřenou silou přibližně 7,7, což je výrazně více, než co podle vědců mohou vytvořit běžné bezprašné hvězdné populace.

Další vodítko pochází z jeho chemického složení. Spektrum ukázalo pozoruhodně málo důkazů o prvcích těžších než vodík a hélium. „Byl v mnoha ohledech skutečně jedinečný,“ říká Naidu.

Černá díra obalená vodíkem
Výzkumníci testovali různé modely, aby zjistili, zda neobvyklé uspořádání plynu dokáže reprodukovat pozorování.

„Začali jsme se ptát: Mohli bychom vytvořit něco tak červeného pouze s použitím vodíku, bez prachu?“ říká Robert Simcoe. „K našemu překvapení se ukázalo, že to lze, pokud máte extrémně hustou vrstvu vodíku; tak hustou, že vypadá spíše jako povrch obrovské hvězdy než jemná mezihvězdná mlhovina.“

Místo konvenční hvězdy s fúzí probíhající v jejím jádru si představte černou díru pohřbenou uvnitř rozsáhlé, neprůhledné atmosféry plynu. Hmota padající směrem k černé díře uvolňuje obrovské množství energie. Okolní vodík pak toto záření absorbuje, rozptyluje a znovu zpracovává, než unikne do vesmíru.

Z velké vzdálenosti může celá struktura nabývat některých pozorovaných charakteristik hvězdy, i když její centrální motor je zcela odlišný.

Hvězdný kokon kolem černé díry
Podrobný model prezentovaný ve studii Nature umisťuje černou díru do hustého plynného obalu o průměru zhruba 10 až 100 astronomických jednotek. Jeden reprezentativní model používá asi 40 astronomických jednotek okolního plynu. Pro srovnání, jedna astronomická jednotka je průměrná vzdálenost mezi Zemí a Sluncem.

Výsledkem je v podstatě falešný hvězdný povrch. Plyn hraje roli připomínající atmosféru hvězdy, zatímco akrece na černou díru dodává energii, kterou by normálně produkovala fúze.

Příliš jasná na to, aby to byla normální hvězda
Svítivost objektu je to, co v konečném důsledku dělá obyčejnou hvězdu tak obtížně akceptovatelnou.
„Máte něco, co vypadá trochu jako hvězda, ale je 100 miliardkrát jasnější,“ říká Naidu. „To znamená, že to nemůžete pohánět jadernou fúzí, což je zdroj energie, který se nachází v srdci všech hvězd, které máme.“ Černé díry takový problém nemají.

Samotná černá díra nevyzařuje světlo zevnitř svého horizontu událostí, ale hmota spirálovitě se k ní blížící se může stát mimořádně horkou a zářivou. Aktivní supermasivní černé díry pohánějí kvasary, které se řadí mezi nejjasnější objekty ve vesmíru.

Zdroj: https://scitechdaily.com/jwst-finds-a-star-100-billion-times-brighter-than-any-star-should-be/

autor: František Martinek