18.09.23: I sentrum av galakser finnes enorme sorte hull med opptil flere milliarder ganger Solens masse. Hvordan disse sorte hullene har oppstått har alltid vært et mysterium, og enda merkeligere har det blitt med observasjoner gjort med det nye James Webb-teleskopet det siste året som viser at de første superhullene oppsto svært kort tid etter Big Bang. Forskerne har hatt mistanke om at eksotiske, supertunge stjerner kunne være forklaringen. Nye observasjoner gjort med nettopp James Webb-teleskopet tyder på at dette faktisk er den riktige forklaringen!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

Denne galaksen i stjernebildet Storebjørn kan gi oss svaret på hvordan de første superstore sorte hullene oppsto.
Foto: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

I sentrum av galaksene finnes enorme sorte hull med fra noen millioner til mange milliarder ganger Solens masse. Melkeveiens superhull har 4 millioner ganger Solens masse, mens det største sorte hullet vi kjenner, Ton 618, som med 66 milliarder ganger Solens masse har 40 ganger større radius enn Solsystemet målt fra Solen til Neptun.

Det nye romteleskopet James Webb kom i drift sommeren 2022, og man har som mål å bruke dette bl.a. til å studere hvordan de første stjernene, galaksene og sorte hullene ble dannet etter Big Bang. Så langt har resultatene vært over alle forventninger, og allerede i løpet av de første månedene kunne forskerne bruke teleskopet til å finne supertunge sorte hull så langt tilbake i tid som 570 millioner år etter Big Bang.

Kunstnerisk fremstilling av et av de fjerneste supertunge sorte hullene som er oppdaget. Selv om vi ser tilbake til 690 millioner år etter Big Bang, hadde superhullet rukket å vokse til 800 millioner ganger Solens masse!
Illustrasjon: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

Dette var langt tidligere etter Big Bang enn ventet, men dermed vokser også mysteriet med hvordan de aller første superhullene kunne oppstå – det er ganske få mulige forklaringer på hvordan de kunne vokse seg så enorme på så kort tid etter Big Bang!

Nå har nye studier av det svært kompakte og intenst stjernedannende objektet GN-z11 med kosmologisk rødforskyvning z=10,603 (avstand 13,4 milliarder lysår) gitt oss ganske klare indikasjoner på svaret! James Webb-teleskopet er så kraftig at det ikke bare klarer å oppdage slike ekstremt fjerne galakser, men også muliggjør spektroskopiske undersøkelser av lyset. Dette gjør at sammensetningen kan bestemmes ganske nøyaktig – det er ganske fascinerende å kunne måle sammensetningen på et objekt som er over 13 milliarder lysår unna!

Den blå flekken midt på bildet inneholder det største kjente sorte hullet – Ton 618. Med en masse 60 milliarder ganger Solens, er radien 40 ganger større enn avstanden mellom Solen og Neptun! Avstanden er 10,8 milliarder lysår.
Foto: Sloan Digital Sky Survey, Apache Point Observatory, Astrophysical Research Consortium

GN-z11 befinner seg i stjernebildet Ursa Major (Storebjørn) og er en av de fjerneste galaksene vi kjenner. Vi ser galaksen slik den var for 13,4 milliarder år siden, bare 400 millioner år etter Big Bang (Universet hadde bare 2,9 % av sin nåværende alder). Objektet har 1/25-del av Melkeveiens størrelse, 1 % av massen, men danner nye stjerner 20 ganger fortere enn Melkeveien.

James Webb-teleskopet er i ferd med å avsløre enda fjernere objekter: Det røde objektet på bildet er galaksen JADES-GS-z13-0, det fjerneste objektet der avstanden er bekreftet spektroskopisk. Kosmologisk rødforskyvning z=13,20 svarer til en avstand på ca. 13,5 milliarder lysår.
Foto: NASA, ESA, CSA, and STScI, M. Zamani (ESA/Webb), L. Hustak (STScI). Science: B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), and the JADES Collaboration

Observasjonene viser at konsentrasjonene av nitrogen i forhold til oksygen (N/O-forholdet) er ekstremt høyt (mer enn 4 ganger Solens N/O), noe som tyder på at sammensetningen til gassen har blitt endret gjennom kjernefusjonsprosesser. En europeisk forskergruppe har sammenlignet dette resultatet med konsentrasjonene i stjerner i Melkeveiens kulehoper.

En SMS fra urtiden

Sammensetningene kan ikke forklares med grunnstoffproduksjon i standard stjerner og ved standard stjerneutvikling, men forskergruppen har funnet at en svært eksotisk stjerne kan være forklaringen: Ved hjelp av datamodeller for utviklingen til supermasserike stjerner (SMSer) har forskerne demonstrert at en intens serie med stjernekollisjoner i sentrum av en svært tett stjernehop kan ha dannet en SMS. Denne vil i løpet av sitt kortvarige (2 millioner år lange) liv ha produsert de observerte mengdene av nitrogen og oksygen, Modellen inkluderer altså en proto-kulehop med en SMS i kjernen.

Kulehoper er kuleformede og svært tette ansamlinger av stjerner. Her ser vi M2 i Melkeveien som inneholder over 150 000 stjerner innenfor en diameter på 150 lysår.
Foto: NASA, ESA, STScI, and A. Sarajedini (University of Florida)

Tilsvarende avvikende sammensetninger er funnet i en rekke kulehoper langt nærmere oss – bevis på at disse kulehopene også kan ha hatt en turbulent dannelsesfase med stjernekollisjoner og en SMS i kjernen.

Kjemiske spor av superstjerner

Kjernetemperaturen i en hovedseriestjerne (en stjerne som omdanner hydrogen til helium i kjernen) er høyere jo større massen er. I Solen er temperaturen 15,6 millioner grader, mens masserike stjerner kan ha kjernetemperaturer på 30 millioner grader.

Samtidig består hydrogenbrenning i virkeligheten av en rekke ulike kjernereaksjoner. I masserike stjerner er det CNO-syklusen som produserer det aller meste av energien mens det også er bi-reaksjoner som endrer konsentrasjonene av neon, natrium, magnesium og aluminium. Hastigheten på hver enkelt underreaksjon er svært følsom for temperaturen og på ulik måte.

Hvis stoffene som dannes i denne fasen når overflaten, kan de relative konsentrasjonene derfor fortelle ganske nøyaktig hvilken temperatur stoffene er dannet ved i kjernen. Stoffene kan nå overflaten på flere ulike måter – ved at stjernen blåser av seg de ytre lagene som en vind eller i kraftige «krampetrekninger», ved at en ledsagerstjerne river av de ytre gasslagene, eller ved kraftig blanding av gassen i stjernen.

Supertunge stjerner har enda høyere kjernetemperatur – rundt 75 millioner grader. Slike stjerner vil derfor få en ganske annen indre sammensetning enn stjerner med mer normal masse.

Men ofte vil supertunge stjerner allerede i løpet av hydrogenbrenningsstadiet eksplodere som spesielle supernovaer som blåser de nydannede grunnstoffene ut i rommet. De vil dermed fungere som «forurensere» som tilfører nydannede grunnstoffer til gassen som skal lage nye generasjoner stjerner (ingen tyngre grunnstoffer ble dannet i Big Bang).

Speilet kutt gjennom det indre av en simulert eksplosjon av en supertung stjerne med 55 500 solmasser ett døgn etter starten av eksplosjonen. Størrelsen tilsvarer på det tidspunktet omtrent Jordens bane rundt Solen.
Illustrasjon: K.-J. Chen

Nettopp dette har forskerne altså funnet spor av både i den ekstremt fjerne GN-z11 og i ferdigutviklede kulehoper langt nærmere oss – de har funnet relative sammensetninger som stemmer med såkalt het hydrogenbrenning, men ikke spor av stoffer fra etterfølgende heliumbrenning eller andre kjerneprosesser.

En mulig proto-kulehop ble i 2015 oppdaget i Antennegalaksene – to galakser som er i ferd med å kollidere 50 millioner lysår unna oss. Den mulige proto-kulehopen ses på det forstørrede utsnittet nederst.
Foto: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); Images from: NASA/ESA Hubble, B. Whitmore (STScI); K. Johnson, U.Va.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

Spektakulære stjernekollisjoner

En annen forskergruppe har vist at proto-kulehoper med en million eller flere stjerner under dannelse (protostjerner) relativt kort tid etter Big Bang og som holdt på å trekke til seg gass i høyt tempo (minst 100 000 solmasser i året) kunne gjennomgå spektakulære og løpske rekker med stjernekollisjoner som medførte at SMSer med 1000 – 100 000 solmasser kunne dannes i løpet av 1-2 millioner år. Deretter gjorde vekselvirkninger mellom stjernene at proto-kulehopens videre sammentrekning stoppet opp.

SMSene kunne bli stadig forynget gjennom nye stjernekollisjoner og fortsatte dermed å omdanne hydrogen til tyngre grunnstoffer slik som forskerne har observert spor av.

To masserike stjerner som sirkler så tett på hverandre at de berører hverandre og snart vil smelte sammen til én stjerne.
Illustrasjon: ESO/L. Calçada

Hvordan ble de aller første supertunge sorte hullene dannet?

Oppdagelsen gir oss trolig svaret på en annen og enda større gåte: Hvordan kunne gigantiske sorte hull dannes bare noen få hundre millioner år etter Big Bang? Flere teorier har blitt fremmet, og en av disse går ut på at SMSer har kollapset og dannet sorte hull- «frø» med 200 000 – 300 000 solmasser.

Funnet av kjemiske spor fra SMSer (med rundt 55 000 solmasser) som har eksplodert bekrefter at SMSer kan ha eksistert og at denne teorien dermed kan gi oss svaret.

Når et slikt «frø» først er dannet, vil det være i stand til å suge i seg gass tilsvarende 0,1 – 10 solmasser hvert år og dermed nå gigantiske masser i løpet av relativt kort tid – noe som stemmer med observasjonene av de tidligste supertunge sorte hullene.

MER INFORMASJON

astroevents.no: Supertunge urstjerner kan forklare superhull i galaksekjerner

nasa.gov: Found: Most Distant Black Hole

astroevents.no: Vår tids sammensmeltende stjerner

Astroevents.no: Flere saker om sorte hull

Astroevents.no: Flere saker om stjerner

scitechdaily-com: Webb Space Telescope Detects Universe’s Oldest Active Supermassive Black Hole

phys.org: Webb telescope spots signs of universe's biggest stars

phys.org: Possible first evidence for supermassive stars at the origin of globular clusters

Pressemelding fra Universitat de Barcelona

astroevents.no: Spektakulære astronomiske fenomener skyldes sammensmeltende stjerner!