04.10.25: Det store romteleskopet JWST som ble satt i drift i 2022, har oppdaget et mystisk fenomen på de dypeste bildene: I Universets barndom fantes det masse små, røde prikker! Fenomenet er uhyre vanskelig å studere selv med JWST, men forskerne har tre hovedteorier som prøver å forklare prikkene. Forslagene har å gjøre med hvordan de aller første supermassive sorte hullene oppstod i det som nå er galaksekjerner. Kanskje ser vi for aller første gang de mye omtalte og mystiske førstegenerasjons-stjernene! Eller vi ser merkelige sorte-hull-stjerner!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

Er de mystiske røde prikkene supertunge urstjerner, de første nydannede superhullene eller sorte-hull-stjerner?
Illustrasjon: T. Müller/A. de Graaff/Max Planck Institute for Astronomy

Røde prikker observert i Universets barndom. De små røde prikkene avtok sterkt i antall og forsvant da Universet var 1,5 år gammelt.
Foto: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)

Når vi ser utover i verdensrommet, ser vi samtidig tilbake i tid. Et objekt som befinner seg 1 milliard lysår unna, ser vi slik det var for en milliarder år siden. Romteleskopet Hubble har klart å trenge 12-13 milliarder lysår ut og dermed også 12-13 milliarder år tilbake i tid mot starten, Big Bang, som fant sted for 13,8 milliarder år siden.

JWST går i bane 1,5 millioner km fra Jorden og ble satt i drift i 2022 for å trenge lenger inn i kosmiske mysterier enn noen tidligere teleskoper har klart. Det er blant annet i stand til å se objekter lenger tilbake i tid mot Big Bang enn noen tidligere teleskoper, og vi har sett bilder overstrødd av superfjerne galakser, hver med mange milliarder stjerner.

Det første Deep Field-bildet fra JWST-teleskopet viser utallige fjerne galakser i tillegg til en såkalt gravitasjonslinse i forgrunnen.
Foto: NASA, ESA, CSA, and STScI

I mars 2024 ble det kunngjort at forskerne hadde oppdaget en helt ny type objekter - små røde prikker på store kosmologiske avstander!

Fenomenet fantes typisk på kosmologisk rødforskyvning z rundt 5 eller mer. De fleste røde prikkene fantes mellom 0,6 og 1,6 milliarder år etter Big Bang, altså for 13,2 – 12,2 milliarder år siden. Selv med JWST er det svært vanskelig å studere disse svært små og prikklignende objektene på så stor avstand, men så langt er 341 røde prikker observert. Hovedtyngden ser ut til å ha eksistert allerede rundt 600 millioner år etter Big Bang.

20 ulike røde prikker i Universets barndom. Fargene er ikke ekte.
Foto: Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu, Gabriel Brammer, John Chisholm, Anna-Christina Eilers, Andy Goulding, Jenny Greene, Daichi Kashino, Ivo Labbe, Simon J. Lilly, Ruari Mackenzie, Pascal A. Oesch, Andrea Weibel, Stijn Wuyts, Mengyuan Xiao, Rongmon Bordoloi, Rychard Bouwens, Pieter van Dokkum, Garth Illingworth, Ivan Kramarenko, Michael V. Maseda, Charlotte Mason,, Romain A. Meyer,, Erica J. Nelson, Naveen A. Reddy, Irene Shivaei,, Robert A. Simcoe og Minghao Yue

Aktive galaksekjerner?

Når vi observerer objekter på så ekstreme avstander, er vi kun i stand til å se de aller mest lyssterke delene – i dette tilfellet trolig galaksekjerner. Det er langt vanskeligere å kartlegge egenskapene til resten av disse galaksene.

Prikkene ble tolket som en slags urgalakser med unge aktive galaksekjerner, som igjen skyldes supermassive sorte hull. I midten av galaksene finnes det gigantiske sorte hull som river til seg gass, stjerner og annet stoff som kommer for nær. Stoffet virvler i spiral rundt superhullet, varmes opp på grunn av sammenpressing og friksjon og sender ut enorme energimengder. Noe gass blir blåst ut langs superhullets poler og danner to intense jetstråler. Fenomenet ses fra Jorden som kvasarer, blazarer og andre voldsomt energirike fenomener. Siden det supermassive sorte hullet befinner seg i midten av galaksekjernen, er det der det er action i disse galaksene, og en slik galaksekjerne kan lett sende ut 1000 ganger mer energi enn hele vår galakse Melkeveien med sine 400 milliarder stjerner. Denne ekstreme energiutstrålingen kommer fra ekstremt små områder – ofte ned mot eller mindre enn størrelsen på Solsystemet! Fenomenet kalles en aktiv galaksekjerne, forkortet AGN (fra «Active Galactic Nucleus»).

Kvasaren 3C273 er med en avstand på 2,5 milliarder lysår blant de aller nærmeste kvasarene og befinner seg i midten av en stor elliptisk galakse. Fra et lite område i midten av galaksen sendes det ut enorme energimengder, og kjernen ligner på en stjerne i utseende.
Foto: ESA/Hubble & NASA

Prikkene er veldig små i forhold til galakser – typisk mindre enn 1000 lysår i diameter, men mange er mindre enn 300 lysår. Til sammenligning er Melkeveien over 100 000 lysår i diameter.

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! I midten av galaksen befinner det seg et supertungt sort hull. Stoff virvler i en skive inn mot hullet. Noe materiale skytes ut fra polområdene i form av to intense jetstråler.
Illustrasjon: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

Men det åpenbare spørsmålet er: Hvor kom det superstore sorte hullet i galaksekjernen fra? Vanlige sorte hull dannes når masserike stjerner eksploderer eller kollapser.

Slike sorte hull har opptil noen titalls ganger massen til Solen. Superhullene i galaksekjernene har derimot fra noen millioner til flere milliarder ganger Solens masse. Stadig nye observasjoner gjort med JWST viser at superhullene fantes allerede få hundre millioner år etter Big Bang – så tidlig at det er veldig vanskelig å forklare hvordan nok masse kan kollapse til et sort hull på så kort tid.

Det er der de røde prikkene kommer inn i bildet. Forskerne tror nemlig at de viser oss et veldig tidlig stadium i superhullenes utvikling, kanskje til og med selve tilblivelsen.

Fenomenet er så langt unna og er så små at det ikke er mulig å se detaljer selv med JWST. Dette gjør det vanskeligere å finne forklaringen, men teoriene er altså:

Unge aktive galaksekjerner

De eldste supermassive sorte hullene som er observert, hadde mange millioner solmasser allerede få hundre millioner år etter Big Bang. Det betyr at det må ha vokst svært raskt i masse og kan ha gjennomgått en fase der mye masse har virvlet rundt hullet og blitt slukt. Dette har frigjort enorme energimengder og vil derfor være en AGN.

Men utfordringen er at det observerte lyset fra de røde prikkene er flatt (mangler struktur) og mangler røntgenstråling som slike superhull pleier å produsere mye av. Dette har gjerne blitt forklart ved at skyen av gass som omgir hullet hindrer oss i å se de indre delene av systemet. Men teorien passer ikke så veldig bra med observasjonene.

De små røde prikkene varierer veldig lite i lysstyrke, mens lysstyrken til AGN-er ofte varierer ganske mye.

Superstjerner

Nå har flere forskergrupper uavhengig av hverandre foreslått at de røde prikkene i virkeligheten kam være supermasserike stjerner som er i ferd med å kollapse og dannes de første superhullene. Det er i tilfelle snakk om de aller første pop. III-stjernene, også kalt førstegenerasjons-stjernene, som er observert!

De aller første stjernene inneholdt kun hydrogen og helium og ikke tyngre stoffer. Dette hadde en rekke konsekvenser, blant annet at mange stjerner ble dannet med svært stor masse og derfor var svært lyssterke.

Kanskje ble det dannet stjerner med virkelig ekstreme masser, rundt eller over en million solmasser. Modellberegninger viser at disse i motsetning til masserike stjerner med mer normal masse, var kjølige med temperatur på rundt 3000 K, og hadde et spektrum som ligner på det vi observerer fra de små røde prikkene.

I sommer har det kommet to underteorier: Enten er det snakk om superstjerner før de kollapser til et superstort sort hull (på grunn av en effekt av generell relativitetsteori) eller det er allerede dannet et sort i midten av objektet, og dette er i ferd med å slurpe i seg den omkringliggende stjernen. Det sistnevnte objektet kalles en kvasi-stjerne.

Slike objekter kan ha hatt en levetid på flere titalls millioner år. Hyppigheten på prikkene tyder på at alle eller de fleste superhullene har blitt til gjennom en fase som supermassiv stjerne (forkortet SMS).

Uansett er de små røde prikkene ekstremt interessante og representerer trolig en «missing link» i Universets barndom. Her snakker vi virkelig om SMSer fra Universets tidligste barndom!

Speilet snitt 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

Sorte-hull-stjerner

En teori som kom i sommer og tidlig i høst foreslår at de røde prikkene er sorte gull omgitt av tett gass. Gassen er så tett og ugjennomsiktig at objektene fremstår som enorme stjerner, og som i de fleste andre stjerner frigjøres energien i kjernen. Men i motsetning til andre stjerner er det ikke kjernereaksjoner som er energikilden, men et supermassivt sort hull som slurper i seg gass. Gass som trekkes inn i et sort hull utløser enorme energimengder – dette ser vi blant annet i de såkalte kvasarene.

Illustrasjon av en sort-hull-stjerne. Størrelsesforholdene er ikke korrekte
Illustrasjon: T. Müller/A. de Graaff/Max Planck Institute for Astronomy

En liten rød prikk i sentrum av en fjern galakse. Rundt objektet kan vi ane små, blå ledsagergalakser.
Foto: Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu, Gabriel Brammer, John Chisholm, Anna-Christina Eilers, Andy Goulding, Jenny Greene, Daichi Kashino, Ivo Labbe, Simon J. Lilly, Ruari Mackenzie, Pascal A. Oesch, Andrea Weibel, Stijn Wuyts, Mengyuan Xiao, Rongmon Bordoloi, Rychard Bouwens, Pieter van Dokkum, Garth Illingworth, Ivan Kramarenko, Michael V. Maseda, Charlotte Mason,, Romain A. Meyer,, Erica J. Nelson, Naveen A. Reddy, Irene Shivaei, Robert A. Simcoe, og Minghao Yue

MER INFORMASJON

Phys.org: Are the JWST's Little Red Dots actually supermassive black hole seeds?

Pressemelding fra NASA

Universetoday.com: Are the JWST's Little Red Dots Actually Supermassive Black Hole Seeds?

Wikipedia om små røde prikker

astroevents.no: Supertunge urstjerner kan forklare superhull i galaksekjerner

astroevents.no: Funn av «the missing link» – en proto-kvasar!

newscientist.com: Little red dot galaxies have now been found in our local universe

aasnova.org: A New Theory for Little Red Dots: Shredded Stars Feeding Growing Black Holes

phys.org: Mysterious 'red dots' in early universe may be 'black hole star' atmospheres

Forskningsartikkel: A remarkable ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a little red dot at z?=?3.5

Pressemelding fra PernnState Eberly College of Science: Mysterious ‘red dots’ in early universe may be ‘black hole star’ atmospheres

Pressemelding fra PernnState University: Mysterious ‘red dots’ in early universe may be ‘black hole star’ atmospheres

astroevents.no: Flere saker om stjerner