Jedna z największych zagadek współczesnej kosmologii brzmi prosto, ale konsekwencje ma ogromne: jak mogły powstać supermasywne czarne dziury tak szybko po Wielkim Wybuchu? Obiekty o masach milionów, a nawet miliardów Słońc obserwujemy już wtedy, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Według klasycznych modeli… nie powinno ich tam jeszcze być.
Najnowsze obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) sugerują jednak rozwiązanie, które jeszcze niedawno brzmiało jak czysta teoria. Chodzi o istnienie ultramasywnych „gwiazd-potworów”, które mogły zapalić się u zarania dziejów i niemal natychmiast zapadać w czarne dziury.
Problem, który dręczy astronomów od dekad
Standardowy scenariusz zakłada, że czarne dziury rosną powoli: najpierw powstają z zapadających się masywnych gwiazd, potem łączą się ze sobą i pochłaniają materię. Problem w tym, że czas się nie zgadza. Nawet najbardziej optymistyczne symulacje nie pozwalały uzyskać supermasywnych czarnych dziur w tak młodym Wszechświecie.
Dlatego pojawiły się alternatywne hipotezy:
- bezpośrednie zapadanie się ogromnych obłoków gazu (DCBH),
- albo istnienie gwiazd Populacji III, które były tak masywne, że po krótkim życiu pozostawiały po sobie gigantyczne czarne dziury.
Do tej pory brakowało jednak twardych dowodów obserwacyjnych.
Galaktyka GS 3073 i chemiczny „odcisk palca”
Przełom przyniosły obserwacje galaktyki GS 3073, wykonane przez JWST. Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez Devesha Nandala, odkrył w niej skrajnie nietypowy stosunek azotu do tlenu. Tak wysoki, że nie da się go wytłumaczyć żadnym znanym typem gwiazd ani eksplozją supernowej.
W astronomii skład chemiczny działa jak odcisk palca. A ten w GS 3073 nie pasuje do niczego, co znamy ze współczesnego Wszechświata.
Jedno wyjaśnienie pasuje idealnie: istnienie pierwotnych gwiazd o masach od 1000 do nawet 10 000 mas Słońca.
Czym były „gwiazdy-potwory”?
Według modeli zespołu badawczego były to obiekty:
- ekstremalnie masywne,
- krótkowieczne (żyły setki tysięcy lat – kosmiczne mgnienie oka),
- zasilane intensywną fuzją helu i wodoru,
- zdolne do produkcji ogromnych ilości azotu.
Kluczowy mechanizm wygląda następująco:
w jądrze zachodzi fuzja helu, powstaje węgiel, który trafia do otaczającej powłoki, gdzie bierze udział w syntezie wodoru. W efekcie powstaje azot, rozprowadzany po całej gwieździe i wyrzucany do otoczenia.
To właśnie ten proces tłumaczy chemiczną anomalię obserwowaną dziś miliardy lat później.
Bez supernowej, bez fajerwerków – prosto w czarną dziurę
Co szczególnie istotne, modele pokazują, że takie gwiazdy nie kończyły życia jako supernowe. Ich masa była tak duża, że zapadały się bezpośrednio w masywne czarne dziury. Idealne „zalążki” późniejszych supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.
To tłumaczy, dlaczego JWST obserwuje tak wiele kwazarów – czyli aktywnych jąder galaktyk – w bardzo młodym Wszechświecie. One po prostu miały od czego startować.
Okno na „kosmiczne wieki ciemności”
Odkrycie dotyczy epoki, która przez lata była dla astronomów praktycznie niedostępna: okresu od około 380 000 do 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, zwanego kosmicznymi wiekami ciemności. Dopiero czułość Webba w podczerwieni pozwala dziś zajrzeć tak daleko.
Naukowcy przewidują, że to dopiero początek. W kolejnych obserwacjach JWST powinno znaleźć więcej galaktyk z podobnymi nadmiarami azotu. Każda z nich będzie kolejnym argumentem za istnieniem gwiazd-potworów.
Kosmiczne dinozaury
Jak trafnie ujął to jeden z autorów badania, Daniel Whalen, te gwiazdy były jak dinozaury:
ogromne, prymitywne, żyjące krótko – ale odciskające trwałe piętno na historii Wszechświata.
Jeśli te wyniki się potwierdzą, będziemy musieli przepisać pierwszy rozdział historii gwiazd i czarnych dziur. A „gwiazdy-potwory” z teorii staną się realnymi architektami kosmicznej struktury, którą obserwujemy dziś.