Małe czerwone kropki Webba to zarodki supermasywnych czarnych dziur

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) dostarczył danych, które rewidują dotychczasową wiedzę o formowaniu się struktur we wczesnym Wszechświecie. Międzynarodowy zespół astronomów pod kierownictwem V. Rusakova z Jodrell Bank Centre for Astrophysics oraz badaczy z Cosmic Dawn Center (DAWN) w Kopenhadze i Niels Bohr Institute zidentyfikował 341 zagadkowych obiektów znanych jako "małe czerwone kropki" (LRDs). Analizy oparte na danych z przeglądów nieba takich jak CEERS, JADES czy FRESCO wskazują, że są to młode supermasywne czarne dziury o masach od 100 tysięcy do 10 milionów mas Słońca. Obiekty te istniały już od 600 milionów do 1,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, co odpowiada przesunięciu ku czerwieni od z=3,4 do z=6,7.

Z punktu widzenia fizyki LRDs to aktywne jądra galaktyk (AGN) uwięzione w ekstremalnie gęstych, zjonizowanych "kokonach" gazu. To właśnie ta materia, niczym gęsta mgła otulająca silne źródło światła, reemituje promieniowanie i odpowiada za charakterystyczną czerwoną barwę w zakresie optycznym i ultrafioletowym. Analiza spektroskopowa wykonana instrumentem NIRSpec ujawniła specyficzne, szerokie linie emisyjne wodoru (H-alfa). Powstają one w wyniku rozpraszania elektronowego w ośrodku o gęstości przekraczającej miliard cząstek na centymetr sześcienny. Taka struktura działa jak filtr: tłumi emisję radiową i rentgenowską, jednocześnie pozwalając czarnej dziurze na akrecję materii w tempie bliskim limitu Eddingtona, czyli maksymalnej stabilnej jasności, jaką może osiągnąć taki obiekt.

Odkrycie to rozwiązuje paradoks zbyt szybkich narodzin kosmicznych gigantów. Dotychczasowe modele zakładały, że czarne dziury rosną powoli z "lekkich ziaren" – pozostałości po pierwszych gwiazdach. Dane z JWST wspierają jednak hipotezę "ciężkich ziaren", czyli bezpośredniego zapadania się (direct collapse) olbrzymich chmur gazu pierwotnego bezpośrednio w czarne dziury. Volker Bromm z University of Texas at Austin, wykorzystując symulacje na superkomputerach Stampede3 i Lonestar6 w ośrodku TACC, potwierdził, że demografia "małych czerwonych kropek" idealnie pasuje do modeli bezpośredniego kolapsu. Oznacza to, że supermasywne czarne dziury nie potrzebowały miliardów lat ewolucji, lecz formowały się niemal natychmiastowo w najgęstszych rejonach młodego kosmosu.