Zdroj úvodní fotografie: Nano Banana Pro
Jak mohly supermasivní černé díry vyrůst do obřích rozměrů už během první miliardy let existence vesmíru. Nová pozorování z vesmírného teleskopu Jamese Webba naznačují překvapivou odpověď. Klíčem mohou být extrémně hmotné hvězdy, které v raném vesmíru krátce zazářily a zanechaly po sobě chemické stopy i zárodky kosmických monster.
Záhada příliš rychlého růstu černých děr
Astrofyziky už více než dvacet let trápí zásadní problém. Pozorujeme supermasivní černé díry s hmotností milionů až miliard Sluncí v době, kdy byl vesmír starý sotva jednu miliardu let. Podle běžných modelů by však tak rychlý růst neměl být možný.
Nová studie založená na datech z James Webb Space Telescope přináší důležitý dílek do této skládačky. V jedné z raných galaxií vědci objevili nepřímý důkaz existence takzvaných monstrózních hvězd, které mohly být přímými předchůdci těchto raných černých děr.
Galaxie GS 3073 a hvězdy tisíckrát těžší než Slunce
Pozorovaná galaxie nese označení GS 3073 a vznikla přibližně miliardu let po velkém třesku. Právě v ní tým vědců identifikoval chemický podpis, který odpovídá existenci extrémně hmotných hvězd o hmotnosti zhruba tisíc až deset tisíc Sluncí.
Takové hvězdy dnes ve vesmíru neexistují. Šlo o velmi primitivní objekty z raných dob kosmu. Podle spoluautora studie Daniela Whalena byly svou povahou podobné dinosaurům na Zemi. Obrovské, krátce žijící a typické pro dávnou epochu. Jejich život trval jen asi čtvrt milionu let, což je v kosmickém měřítku pouhý okamžik.
Prastaré hvězdy dosahující hmotnosti až 10 000násobku hmotnosti Slunce mohly být zdrojem některých z nejranějších černých děr ve vesmíru. Vložený obrázek zobrazuje simulaci vzniku černé díry z jedné takové hvězdy. (Zdroj snímku: James Webb Space Telescope – pozadí, Nandal et al. - výřez)
Podivná stopa dusíku jako klíčový důkaz
Hlavním vodítkem k odhalení těchto hvězd byl neobvyklý poměr dusíku a kyslíku v plynu galaxie GS 3073. Tento poměr dosahuje hodnoty 0,46, což je extrém, který se běžně nevyskytuje ani u známých hvězd, ani u explozí supernov.
Podle teoretických modelů ale přesně takový chemický podpis vzniká u prvních hvězd s extrémní hmotností. Jak vysvětlují autoři studie, produkce dusíku probíhala v několika krocích. V jádru hvězdy se spalovalo helium a vznikal uhlík. Ten se následně dostal do vnější vrstvy, kde se spaloval vodík. Z této kombinace vznikal dusík, který byl prouděním hmoty uvnitř hvězdy roznesen do celého jejího objemu a postupně unikal do okolního prostoru.
Existuje ideální velikost monstrózní hvězdy
Zajímavým zjištěním je, že tento chemický podpis se objevuje pouze u hvězd v určitém hmotnostním rozmezí. Pokud byla hvězda menší než tisíc Sluncí nebo naopak větší než deset tisíc Sluncí, charakteristický poměr dusíku a kyslíku nevznikl.
To naznačuje, že existovalo jakési optimální rozpětí hmotností, ve kterém mohly tyto hvězdy účinně obohacovat své okolí dusíkem. Tento detail výrazně posiluje interpretaci, že pozorovaný signál skutečně pochází z dávných monstrózních hvězd.
Mohlo by tě také zajímat téma: Whisky od babičky Anastázie aneb jakými barvami svítí hvězdy
Přímá cesta ke vzniku supermasivních černých děr
Podle modelů vědců tyto hvězdy na konci svého krátkého života nevybuchly jako klasické supernovy. Místo toho se zhroutily samy do sebe a vytvořily velmi hmotné černé díry. Ty pak mohly sloužit jako zárodky dnešních supermasivních černých děr.
Pozoruhodné je, že galaxie GS 3073 zřejmě skutečně obsahuje aktivní černou díru ve svém středu. Je možné, že jde o přímého potomka jedné z těchto prvních hvězd. Pokud se toto spojení potvrdí, pomohlo by to vysvětlit hned dvě dlouhodobé záhady. Původ neobvyklého dusíku i rychlý vznik supermasivních černých děr.
Světlo do kosmických temných dob
Objev má širší význam než jen vysvětlení původu černých děr. Pomáhá také lépe porozumět takzvaným kosmickým temným dobám, období, kdy se rozsvítily první hvězdy a začala se měnit chemie vesmíru.
Monstrózní hvězdy mohly sehrát klíčovou roli při prvním obohacování vesmíru těžšími prvky a připravit podmínky pro vznik galaxií, jaké známe dnes. Přesto zůstává řada otázek otevřených a vědci zdůrazňují, že k definitivnímu řešení této prastaré záhady bude potřeba další výzkum.
Zdroje k hlubšímu bádání
1000–10,000 M⊙ Primordial Stars Created the Nitrogen Excess in GS 3073 at z = 5.55
