Kalın bir gaz kabuğuna gömülü yeni bir süper kütleli kara delik sınıfı, James Webb uzay teleskopundaki görüntülerde küçük kırmızı noktaları açıklayabilir.
James Webb uzay teleskopu ve kızılötesi kameraları, en uzak ve en eski nesnelerde bile evrenin derinliklerine bakmak için uzmanlaşmıştır. Bu tür galaksilerin bir özelliği, özellikle kırmızımsı görünmeleri ve ne kadar uzakta olursa, daha küçük olurlar. Bununla birlikte, özel bir nesne sınıfı olan “küçük kırmızı noktalar”, gökbilimcileri şaşırttı. Bu genç galaksiler mi? Bununla birlikte, bağımsız ölçümlere göre, bu kırmızı noktalar erken galaksiler olmak için çok büyüktür. Cliffhanger: Yeni keşfedilen bir nesne gizemi çözebilir. Araştırmacılar buna “Uçurum” adını verdiler.
Bulgular dergide yayınlandı Astronomi ve Astrofizik.
2022 yazında, James Webb Uzay Teleskopu’nun (JWST) ilk bilimsel görüntülerini üretmeye başladıktan bir aydan daha kısa bir süre sonra, gökbilimciler beklenmedik bir şey fark ettiler: küçük kırmızı noktalar. JWST’nin benzeri görülmemiş hassasiyetinde çekilen resimlerde, bu son derece kompakt, çok kırmızı göksel nesneler gökyüzünde çok net bir şekilde gösterildi ve çok sayıda göründü.
WST, görünüşe göre Hubble uzay teleskopundan kaçan yepyeni bir astronomik nesne popülasyonu keşfetmişti. Bu ikinci kısım şaşırtıcı değil. “Çok Kırmızı”, ağırlıklı olarak daha uzun dalga boylarında ışığı yayan nesneler için astronomi lingo’dur. Küçük kırmızı noktalar ağırlıklı olarak kızılötesi ortada bir metrenin 10 milyonundaki dalga boylarında ışık yayar. Hubble bu kadar uzun dalga boylarında gözlemleyemez. JWST ise bu aralığı kapsayacak şekilde tasarlanmıştır.
Ek veriler, bu nesnelerin gerçekten çok uzakta olduğunu gösterdi. En yakın örnekler bile o kadar uzaktaydı ki, ışıklarının bize ulaşması 12 milyar yıl sürdü. Gökbilimciler her zaman geçmişe bakarlar ve ışığı bize ulaşması 12 milyar yıl önce 12 milyar yıl önce, büyük patlamadan sadece 1.8 milyar yıl sonra olduğu için 12 milyar yıl süren bir nesne görüyoruz.
Açıklanamayan genç, büyük galaksiler?
İşte işler bu noktada. Astronomik gözlemleri yorumlamak için, söz konusu nesnenin bir modeline ihtiyacınız vardır. Gökbilimciler verilerine işaret ettiklerinde ve “bu bir yıldız” dediğinde, ifade çok fazla bagajla geliyor. Sadece gökbilimcilerin bir yıldızın ne olduğuna dair güçlü fiziksel modellere sahip oldukları için güvenilirdir – kısaca, kendi yerçekimi ile bir arada tutulan dev bir plazma topu, merkezinde nükleer füzyonla enerji üretir.
Ayrıca yıldızların hem görüntülerde hem de bir spektrum olarak bilinen ışığın gökkuşağı benzeri ayrışmasında nasıl göründüğünü iyi bir şekilde anlamanız gerekir. Buna karşılık, doğru bir görünüme ve doğru tür spektrumuna sahip bir nesne görürseniz, bunun bir yıldız olduğunu güvenle belirtebilirsiniz.
Küçük kırmızı noktalar olağan yuvalara uymuyor gibi görünmüyordu, bu nedenle gökbilimciler standart nesnelerin ötesine bakmak için yola çıktılar. Sunulan ilk yorumlardan biri kendi başına bir bomba oldu: Bu yorumda, küçük kırmızı noktalar yıldız bakımından son derece zengin olan galaksilerdi, ışıkları büyük miktarlarda çevredeki tozla kızardı.
Kendi kozmik mahallemizde, güneş sistemimizi bir küpün bir ışık yılı bir tarafına koyarsanız, bu küp sadece tek bir yıldız içerir: güneşimiz. Küçük kırmızı noktaları açıklamak için varsayılan yıldız açısından zengin galaksilerde, boyut birkaç yüz bin yıldız içerecek bir küp.
Ev galaksimizde, Samanyolu, yıldızlarda yoğun olan tek bölge merkezi çekirdektir, ancak bu küçük kırmızı noktalı modellerde ihtiyaç duyulan yıldızların sadece binde birini içerir. Big Patch’tan bir milyar yıldan az bir süre sonra yüz milyarlarca güneş kitlesinin yüksek sayıda yıldız sayısı, gökbilimcilerin galaksi evrimi hakkında temel anlayışı hakkında önemli sorular ortaya koydu: Bu galaksilerin bu kadar çok yıldız ürettiğini bile açıklayabilir miyiz?
Ortak yazar Bingjie Wang (Penn State Üniversitesi), “Böyle bir galaksinin gece gökyüzü göz kamaştırıcı bir şekilde parlak olurdu. Bu yorum geçerli olursa, daha önce hiç gözlemlenmemiş olağanüstü süreçlerle oluşan yıldızların olduğunu ima eder.”
Galaksiler ve Aktif Galaktik Çekirdekler
Yorumun kendisi tartışmalı kaldı. Topluluk iki kampa ayrıldı: bir grup, çok fazla artı toz yorumunu destekleyen bir grup ve küçük kırmızı noktaları aktif galaktik çekirdekler olarak yorumlayan, ancak aynı zamanda bol tozla da gizlenmiş. Aktif galaktik çekirdekler, bir galaksinin merkezi kara deliğine sabit bir madde akışı düştüğünde gördüğümüz şeydir ve merkezi nesnenin etrafında aşırı sıcak, sözde bir toplanma diski oluşturur.
Ancak bu ikinci yorum kendi sınırlamalarıyla geldi. Küçük kırmızı noktaların spektrumları ile toz kesilmiş aktif galaktik çekirdek astronomlarının spektrumları arasında daha önce gözlemlediği farklılıklar vardır. Buna ek olarak, bu yorum, bu nesnelerin merkezindeki süper kütleli kara delikler için son derece büyük kütleler gerektirecektir – ve şaşırtıcı bir şekilde, çok sayıda küçük kırmızı nokta göz önüne alındığında bunların birçoğu.
Bulmacayı çözmek için gökbilimcilerin daha fazla ve farklı gözlemsel verilere ihtiyaç duyacakları konusunda bir fikir birliği vardı. Orijinal JWST gözlemleri görüntüler sağlamıştı. Fiziksel yorumları test etmek için, gökbilimcilerin spektrumlara ihtiyacı vardır: bir nesnenin farklı dalga boylarında ne kadar ışık yaydığı hakkında ayrıntılı bilgi. Üst teleskoplar için zamanı gözlemlemek için önemli bir rekabet var.
Küçük kırmızı noktaların ne kadar ilginç olduğu anlaşıldığında, dünya çapında çok sayıda gökbilimci onları daha yakından gözlemlemek için zamana başvurmaya başladı. Böyle bir uygulama, Anna de Graaff tarafından Heidelberg’deki Max Planck Astronomi Enstitüsü’nde ve kısaltmanın “Kırmızı Bilinmeyenler: Parlak Kızılötesi Ekstragalaktik Araştırma” nı temsil ettiği uluslararası bir meslektaş ekibinde formüle edilen yakutlar programıydı.
Yakutların uzak hazineleri
Yakut uygulaması başarılı oldu ve Ocak ve Aralık 2024 arasında, gökbilimciler bugüne kadar JWST ile elde edilen en büyük spektroskopik veri setlerinden biri olan toplam 4500 uzak galaksiden spektrum elde etmek için yaklaşık 60 saatlik JWST zamanı kullandılar. Raphael Hviding’in (MPIA) dediği gibi, “Bu veri setinde 35 küçük kırmızı nokta bulduk. Çoğu halka açık JWST görüntüleri kullanılarak bulunmuştu. Ama yeni olanlar en aşırı ve büyüleyici nesne olarak ortaya çıktı.”
En ilginç olanı, gökbilimcilerin Temmuz 2024’te bulunan bir nesnenin spektrumuydu. Gökbilimciler söz konusu nesneyi “Uçurum” olarak adlandırdılar ve küçük kırmızı noktaların nüfusunun aşırı bir versiyonu gibi görünüyordu – ve bu nedenle, küçük kırmızı noktaların ne olduğunu yorumlamak için umut verici bir test vakası. Uçurum bizden o kadar uzak ki, ışığının bize ulaşması 11.9 milyar yıl sürdü (kırmızıya kayma Z = 3.55).
“Uçurum” adını spektrumunun en belirgin özelliğinden alıyor: Ultraviyole bölgesinin ne olacağında, menekşe görünür ışıktan biraz daha kısa dalga boylarında dik bir artış. “Olur” çünkü evrenimiz genişliyor: Doğrudan bir sonuç, uçurum kadar uzak bir nesne için, dalga boyunun orijinal değerinin neredeyse beş katına kadar uzatılması, yakın kızılöteye (“kozmolojik kırmızıya kayma”) inmesidir.
Bu dalga boylarında bu türden belirgin bir artış “Balmer Break” olarak bilinir. Balmer molaları, genellikle o sırada çok az yeni yıldız oluşturan ya da hiç olmayan galaksilerde görüldüğü sıradan galaksilerin spektrumlarında bulunabilir. Ancak bu durumlarda, artış uçurumdan çok daha az diktir.
Tek yıldızlara meraklı bir benzerlik
Bu kaçırılamaz, olağandışı özellik ile uçurum, küçük kırmızı noktalar için önerilen yorumların hiçbirine uymamış gibi görünüyordu. Ancak De Graaff ve meslektaşları emin olmak istediler. Büyük yıldız oluşturan galaksiler ya da toz kabuklu aktif galaktik çekirdekler olarak küçük kırmızı noktalar dökmeye çalışan tüm modellerin çeşitli varyasyonlarını inşa ettiler, her biriyle uçurumun spektrumunu yeniden üretmeye çalıştılar ve her seferinde başarısız oldular.
Kara Delik Yıldızlarına Girin
Bu temelde, De Graaff ve meslektaşları, bazılarının bh*olarak yazılmış bir “kara delik yıldızı” olarak adlandırdığı bir model geliştirdiler: aktif bir galaktik çekirdek, yani bir toplanma diski ile süper kütleli bir kara delik, ancak tozla değil, ancak kalın bir hidrojen gazı zarfına gömüldüğü için çevrili ve kırmızıya alındı. BH* katı anlamda bir yıldız değildir, çünkü merkezinde nükleer füzyon reaktörü yoktur.
Buna ek olarak, zarftaki gaz, herhangi bir sıradan yıldız atmosferinden çok daha şiddetli (çok daha güçlü bir türbülans var) dönüyor. Ancak temel fizik benzerdir: aktif galaktik çekirdek, tıpkı bir yıldızın nükleer füzyon güdümlü merkezi gibi, yıldızın dış katmanlarını ısıtır, bu nedenle dış görünüm benzerlikleri işaret eder.
De Graaff ve meslektaşları tarafından bu noktada formüle edilen modeller, konsept kanıtlarıdır-kısıtlayan çalışmalardır, ancak herhangi bir önlemle mükemmel bir uyum değil. Yine de, bu kara delik yıldız modelleri verileri diğer tüm modellerden çok daha iyi tanımlamaktadır. Özellikle, spektrumdaki isim veren uçurumun şekli, bir AGN çevresinde çalkantılı, yoğun, küresel bir gaz zarfı varsayılarak güzel bir şekilde açıklanmaktadır.
Bu açıdan, uçurum, merkezi kara delik yıldızının nesnenin parlaklığına hakim olduğu aşırı bir örnek olacaktır. Diğer küçük kırmızı noktalar için, ışıkları merkezi kara delik yıldızının, galaksinin çevredeki kısımlarındaki yıldızlardan ve gazdan gelen ışıkla daha eşit bir karışımı olacaktır.
Hızlı erken galaksi oluşumu için yeni bir mekanizma?
Bir kara delik yıldızı gerçekten çözümse, başka bir potansiyel avantajı olabilir. Bu tür sistemler daha önce tamamen teorik bir ortamda, çok daha hafif ara kütleli kara deliklerle incelenmişti. Orada, merkezi bir kara deliğin kurulumu ve çevresindeki gaz zarfı, özellikle hızlı büyüyen çok erken galaksilerin merkezi kara deliklerinin kütlesi için bir yol olarak görülüyordu.
JWST’nin erken evrendeki yüksek kütleli kara delikler için sağlam kanıtlar bulduğu göz önüne alındığında, kara deliklerin ultra hızlı kitlesel büyümesini açıklayabilecek bir konfigürasyon, mevcut Galaxy evrim modellerine hoş bir katkı olacaktır. Süper kütleli kara delik yıldızlarının aynısını yapıp yapamayacağı hala belirsizdir, ancak eğer yaparlarsa rollerinin ilginç bir genişlemesi olurdu!
Bu kadar umut verici, uyarılar düzenli. Yeni sonuç yepyeni. Bu konuda raporlama, hakemli bir dergide yayınlandıktan veya en azından kabul edildikten sonra bilimsel sonuçları kapsamanın kabul edilen uygulamasına uygundur. Ancak bunun Astronomi’nin evren hakkındaki görüşünün güvenilir bir parçası olup olmadığını bilmek için, en az birkaç yıl daha beklememiz gerekecek.
Açık sorular
Mevcut sonuç ileriye doğru büyük bir adımdır: uçurumun olağandışı şeklini açıklayabilen ilk model, aşırı nesnenin Balmer molası. İleriye doğru önemli bir adım gibi, yeni, açık araştırma sorularına yol açar: Böyle bir kara delik yıldızı nasıl oluşabilirdi? Olağandışı gaz zarfı daha uzun süre nasıl sürdürülebilir? (Kara delik çevreleyen gaza girdiğinden, zarfın “yakıt ikmali” için bir mekanizma olması gerekir.) Uçurumun spektrumunun diğer özellikleri nasıl ortaya çıkıyor?
Bu soruları cevaplamak, astrofizik modellemeden katkılar gerektirir, ancak aynı zamanda daha derinlemesine gözlemden yararlanacak şekilde ayarlanmıştır. Aslında, De Graaff ve ekibi, gelecek yıl için planlanan Uçurum gibi özel ilgi alanları gibi küçük kırmızı noktalar için JWST takip gözlemlerinin onayına sahip.
Gelecekteki bu gözlemler, kara delik yıldızlarının gerçekten bugünün galaksilerinin nasıl olduklarına dair açıklama olup olmadığına ışık tutacak. Bu noktada, bu sonuç ilgi çekici bir olasılıktır, ancak kesin olmaktan uzaktır.
