Siden James Webb-romteleskopet Han begynte å stirre inn i den dype himmelen; det er noe som gjentar seg om og om igjen i bildene hans: små knallrøde prikker spredt over kosmos' bakgrunn. De er ikke en instrumentfeil eller enkel bakgrunnsstøy, men en ny familie av astronomiske objekter som det vitenskapelige samfunnet den dag i dag fortsatt ikke kan klassifisere med fullstendig sikkerhet.
Disse objektene er allerede uformelt kjent som små røde prikker (LRD), eller «små røde prikker»og har dukket opp i hundrevis i Webb-observasjoner, spesielt når teleskopet fokuserer på svært fjerne områder av det tidlige universet. Astronomer er enige om at de kan endre det vi vet om dannelsen av supermassive sorte hull og de første galakseneMen brikkene i puslespillet passer fortsatt ikke helt sammen.
Et mysterium som gjentas i nesten alle dype bilder
I de første analysene etter igangsettingen av James Webb-teleskopet, innså forskerteamene at følgende dukket opp med hver langvarig eksponering: flere små prikker med intens rød fargeLangt fra å være en isolert sjeldenhet, var det et mønster som gjentok seg i felt etter observasjonsfelt, hyppig nok til å være umulig å ignorere.
Webbs NIRCam-kamerabilder viser disse LRD-ene som svært kompakte og lysende kjerner, omgitt av en diffus rødlig glorieI noen mosaikker utgitt av NASA, fremstår hver av dem som et hvitaktig eller gulaktig sentrum, med en myk rød ring i silhuett mot det svarte i rommet, noe som gjør det klart at vi har å gjøre med virkelige kilder og ikke tekniske gjenstander.
La astronom Jenny GreeneEn professor i astrofysikk ved Princeton University oppsummerte det ganske rett ut i et intervju: det er første gang i karrieren hennes at hun har studert et objekt hvis utseende Det passer ikke inn i noen kjent kategori.For Greene er det rimelig å «kalle dem et mysterium» fordi hver gang en forklaring foreslås, tvinger nye observasjoner den til å bli kvalifisert eller direkte forkastet.
Det mest foruroligende Disse røde prikkene er ikke anekdotiske. Ifølge flere involverte forskere dukker de opp i så godt som alle dypobservasjoner med Webb-teleskopet. Teleskopet akkumulerer ganske enkelt lys i timevis på samme område av himmelen, og fra den ekstremt svake bakgrunnen dukker de samme lyse, rødlige kildene opp, gang på gang.
Hvor og når dukker disse små røde prikkene opp?
De første systematiske påvisningene av LRD dateres tilbake til 2022 og 2023Bare noen få måneder etter at Webb-romteleskopet startet sin vitenskapelige fase, begynte flere studier å kvantifisere fenomenet og spore når i kosmisk historie de er mest vanlige. Resultatene indikerer at disse objektene dukket opp i stort antall da universet eksisterte... 600 millioner år etter Big Bangog at deres forekomst avtar raskt mot 1.500 millioner år etter den hendelsen.
Kosmologisk sett betyr dette at de små røde prikkene først og fremst er et trekk ved tidlig universAstronomen Jorryt Matthee, fra det østerrikske instituttet for vitenskap og teknologi, understreker at LRD-er er utbredt tidlig i 1.000 milliard år med kosmisk tid, mens de i det nær-nåværende universet virker ekstremt sjeldne.
Denne tidsmessige fordelingen passer med ideen om at LRD-er kan representere en overgangsfase i utviklingen av visse kosmiske strukturerDette var vanlig da kosmos var ungt, men det skjer knapt i dag. Hvis det ble bekreftet, ville vi observere en flyktig fase i galaksers eller sorte hulls liv, et øyeblikk som teoretiske modeller forutså på en mer eller mindre vag måte, men som aldri har blitt sett så detaljert.
Det at de fokuserer på slike fjerne perioder forklarer også hvorfor tidligere teleskoper som Hubble Denne typen objekter hadde ikke blitt tydelig oppdaget. Hubble manglet kombinasjonen av følsomhet og dekning i det mellominfrarøde området som Webb tilbyr; bare takket være sitt 6,5 meter store speil og sine infrarødfokuserte instrumenter har det vært mulig å bringe frem i lyset hele denne populasjonen av kompakte røde kilder.
Hvorfor de ser så røde ut: rødforskyvning og hydrogengass
Et av de første spørsmålene var åpenbart: Hvorfor er disse objektene så røde? En del av svaret er rent kosmologisk. Siden de er så langt unna, har lyset de sendte ut for milliarder av år siden blitt strukket av universets utvidelse, noe som har forskjøvet spekteret mot lengre bølgelengder. Dette er det velkjente fenomenet med rødt skifte, som omdanner det opprinnelige synlige eller ultrafiolette lyset til infrarød stråling når det når Webb-detektorene.
Men det ble snart klart at rødforskyvningen ikke forklarte alt. LRD-ene vises ikke bare røde på grunn av avstanden: De er også iboende veldig rødligeSpektrene deres viser en svært markant overgang mellom en relativt svak strømning i ultrafiolett stråling og en brå økning i rødt og infrarødt stråling. Denne «trappen» i spekteret indikerer at noe i omgivelsene deres modifiserer lyset på en svært spesifikk måte.
I en periode støttet en stor del av samfunnet kosmisk støv som den som var ansvarlig for den ekstreme fargen. Tanken var at det var unge og svært støvete galakserder interstellare støvskyer blokkerer blått og ultrafiolett lys fra nydannede stjerner, og lar for det meste rødt og infrarødt lys passere gjennom.
Imidlertid begynte senere studier å tippe vektskålen mot en annen komponent: svært tett hydrogengassForskere som Jorryt Matthee påpeker at de spektrale egenskapene til noen LRD-er, spesielt til svært spesielle objekter som «Klippen», passer bedre med et scenario der store mengder hydrogen omgir en sentral energikilde og De absorberer selektivt deler av lyset, som forsterker den røde komponenten.
Dette skiftet i fokus, fra støv til hydrogengass, har fått betydning over tid og har endret tolkningen av flere resultater. Det som opprinnelig ble tolket som galakser skjult av støv, forstås nå mer som systemer omsluttet av tett, ionisert gassnoe som passer bedre med scenarier med voksende sorte hull eller med visse eksotiske modeller av supermassive stjerner.
Den dominerende hypotesen: voksende supermassive sorte hull
Med alle disse dataene på bordet, er hypotesen som har fått mest støtte de siste årene at mange av disse små røde prikkene korresponderer med supermassive sorte hull i full vekstfaseMed andre ord ville vi se «babyen» til de enorme sorte hullene som for tiden finnes i sentrum av galakser som Melkeveien.
I følge denne tolkningen ville LRD-ene være ekstremt kompakte og lysende kjernerder et svart hull akkumulerer materie veldig raskt. Hydrogengassen som virvler rundt i nærheten ville absorbere den mest energiske strålingen og sende ut energien hovedsakelig i infrarødt, noe som ville forklare den slående fargen uten å måtte stole utelukkende på støv.
Forskeren Jenny GreeneEn ekspert på supermassive sorte hull og galakseutvikling mener at en modell som fokuserer på voksende sorte hull er den som passer best med de fleste aktuelle observasjonerLikevel insisterer han på at bildet langt fra er lukket, og at nye målinger kan tvinge frem en revurdering av konklusjonene.
Andre studier peker i samme retning: LRD-er kan representere fødselsfasen til supermassive sorte hullJorryt Matthee går så langt som å beskrive dem som en mulig «manglende lenke«mellom universets første strukturer og de kolossale sorte hullene vi ser i dag i sentrum av nesten alle store galakser.»
Overfloden av disse objektene i det tidlige universet stemmer overens med den ideen. Hvis alle store galakser i dag har et supermassivt svart hull i sentrum, er det rimelig å anta at det i løpet av de første milliardene av årene var en periode da Disse kjernene startet opp motorerakkumulerer gass med høy hastighet og gløder på en veldig spesiell måte. I følge dette synet ville LRD-er være nettopp det observerbare sporet av det stadiet.
Viktige studier: fra RUBIES-programmet til Gran Telescopio Canarias
For å bringe orden i denne nye kosmiske dyrehagen lanserte et internasjonalt team ledet av Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics programmet. RUBIER (Røde ukjente: Lys infrarød ekstragalaktisk undersøkelse). Dette prosjektet dedikerte noen 60 timer med James Webb-tid å systematisk studere tusenvis av knallrøde kilder, inkludert rundt førti nøye utvalgte små røde prikker.
Forskeren Anna de Graaff, en av de ansvarlige for RUBIES, fremhever at programmet gjorde det mulig å få tak i spektre av høy kvalitet av flere LRD-er, noe som var avgjørende for å avdekke dens natur. Det store gjennombruddet kom med et objekt med kallenavnet «Klippen»hvis spektrum viste en brå overgang mellom ultrafiolett og rødt som verken passet med en "normal" galakse eller med et svart hull som bare var omgitt av støv.
I «Klippen» indikerer observasjoner tilstedeværelsen av svært tett og relativt varm hydrogengassDette forsterker ideen om at den rødlige komponenten først og fremst skyldes denne gassen og ikke så mye gamle stjerner eller store mengder støv. De Graaff har til og med beskrevet denne typen objekter som en mulig ny kildeklasse, noe sånt som «stjerner i sort hull», hvor et sentralt svart hull lyser opp, innenfra, en gasskonvolutt som skinner med et svært karakteristisk spektralmønster.
Ved siden av de romlige dataene viser også europeisk – og spesielt spansk – deltakelse seg å være betydelig. Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) har bidratt med observasjoner innhentet fra Gran Telescopio Canarias (GTC)På La Palma, verdens største optiske og infrarøde teleskop. Takket være kraften har det vært mulig å observere noen av de nærmeste LRD-ene med et detaljnivå som Webb, på egenhånd, ikke kunne gi på visse bølgelengder.
GTC-dataene har gjort det mulig for oss å identifisere svake ioniserte jernlinjer og andre spektroskopiske signaturer assosiert med svært tett gass i nærheten av et svart hull. Disse resultatene har bidratt til å tolke lignende signaler fra fjernere kilder på nytt og bekrefte at, i hvert fall i noen LRD-er, Tilstedeværelsen av aktive sorte hull er vanskelig å unngå..
Supermassive stjerner, kvasistjerner og andre eksotiske scenarier
Selv om ideen om å utvikle sorte hull dominerer debatten i dag, er det ikke den eneste som er i spill. En fersk studie publisert i The Astrophysical Journal, ledet av Devesh Nandal og Avi Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), foreslår at noen av disse små røde prikkene kan være supermassive stjerner dannet fra urgass i det tidlige universet.
I dette scenariet ville visse LRD-er ikke bli dominert av et svart hull, men av enorme stjerner som nesten utelukkende består av hydrogen og heliumobservert rett før kollapsen deres. I følge Nandal-Loeb-modellen ville disse supermassive stjernene være i stand til å gjengi både den ekstreme lysstyrken og noen av egenskapene til spektrene målt av Webb-teleskopet, uten å måtte anta et voksende svart hull i hvert tilfelle.
En annen teoretisk linje gjenopptar den gamle ideen om kvasistjernerforeslått for nesten to tiår siden av astrofysikeren Mitch Begelman og hans samarbeidspartnere. I denne modellen dannes et svart hull inne i en veldig massiv protostjerne og blir omgitt av en enorm gasskonvolutt, som faktisk sender ut lyset vi observerer. Resultatet ville være en hybrid mellom en stjerne og et svart hull, i stand til å skinne som en kjempestjerne selv om dens indre motor er et svart hull.
Noen trekk ved objekter som «Klippen» minner om denne typen teoretisk konfigurasjon, selv om forfatterne selv for øyeblikket erkjenner at Det finnes ikke noe definitivt bevis som gjør at LRD-er kan identifiseres som kvasistjerner uten tvetydighet. Det som er klart er at fenomenet tvinger oss til å vurdere astrofysiske scenarier som for bare noen få år siden virket rent spekulative.
I mellomtiden foreslår noen enda mer ekstreme versjoner av svært massive stjerner i de siste stadiene av livet deres, eller til og med nye konfigurasjoner der grensen mellom «galakse», «stjerne» og «sort hull» blir uklar. Dette er grunnen til at noen forskere omtaler LRD-er som en ekte ... «Dyrehage» med eksotiske gjenstander, innenfor hvilken flere forskjellige klasser kunne sameksistere, som på bildene fremstår for oss under samme utseende av en lys rød prikk.
En gåte som fortsatt er langt fra løst
Til tross for det store antallet studier viet til disse røde sonene siden 2022, er den vitenskapelige konsensusen fortsatt svært begrenset. Anna de Graaff erkjenner selv at Det er ekstremt vanskelig å direkte demonstrere tilstedeværelsen av et svart hull i disse objektene. Foreløpig er denne antagelsen hovedsakelig basert på deres enorme lysstyrke og hvor hyppige de ser ut til å være i visse epoker i det tidlige universet.
Dessuten sender noen LRD-er knapt Røntgenstråler eller høyenergisk infrarød strålingDette er slående gitt antagelsen om at de drives av aktive sorte hull. Kombinert med fraværet av intense metalliske linjer (utover hydrogen og helium), har disse detaljene ført til flere revisjoner av de opprinnelige modellene og har oppmuntret søket etter alternative forklaringer.
For å komplisere saken ytterligere, har hver nye observasjonskampanje en tendens til å endre landskapet littNoen resultater støtter ideen om ekstremt kompakte og massive galakser; andre favoriserer hydrogengass sin sentrale rolle; og atter andre åpner døren for objekter som ikke har blitt vurdert før nå. Forskerne selv innrømmer at en hypotese som virket rimelig ved mer enn én anledning har endt opp i konflikt med senere data.
Derfor insisterer mange eksperter på å opprettholde alle alternativer åpneBetegnelsen «små røde prikker» omfatter sannsynligvis flere forskjellige klasser av objekter, som vi for øyeblikket bare kan skille mellom gjennom svært detaljert spektroskopisk analyse. Utfordringen for de kommende årene vil være å skille disse delpopulasjonene og bestemme hvilken andel av LRD-er som tilsvarer voksende sorte hull, hvilken andel som kan skyldes supermassive stjerner eller andre konfigurasjoner, og hvor mange som best kan forklares som ekstremt kompakte galaktiske kjerner.
Europeiske institusjoner, inkludert den selv IAC og teamene som jobber med Gran Telescopio CanariasDe har nå fått mer observasjonstid for å utvide utvalgene og forbedre statistikken. Målet er klart: å samle nok data fra forskjellige objekter, på forskjellige avstander, til å begynne å se solide mønstre og robust forkaste hypoteser som ikke holder mål.
All denne innsatsen gjenspeiler noe som går utover selve de røde prikkene: James Webb-romteleskopets rolle er ikke bare å bekrefte tidligere teorier, men å bringe frem i lyset fenomener som tvinger oss til å revurdere modelleneI den forstand har LRD-ene blitt en av oppdragets største suksesser – og samtidig en av dets største hodepiner.
Det som synes uten tvil er at disse små røde prikkene, som gikk tapt i dypet av det tidlige universet, har fått en privilegert plass på agendaen til moderne astrofysikk. Deres evne til å utfordre etablerte ideer om dannelsen av galakser, ekstreme stjerner og supermassive sorte hull Det antyder at når dens natur endelig er dechiffrert, vil vi ikke bare ha løst en spesifikk gåte: vi vil også ha tatt et viktig skritt mot å forstå hvordan universet gikk fra sitt første lys til den komplekse kosmiske strukturen vi observerer i dag.
