Een nieuw ontdekt ver object dat astronomen ‘The Cliff’ hebben genoemd, zou een raadsel kunnen oplossen dat is ontstaan door enkele van de eerste waarnemingen van het verre heelal met de James Webb ruimtetelescoop, in verband met de ontdekking van een populatie objecten die ‘kleine rode stippen’ worden genoemd. Men dacht dat deze objecten jonge sterrenstelsels waren, maar met een zodanige massa dat dit moeilijk te verklaren was in de huidige modellen van kosmische evolutie. 'The Cliff' heeft geleid tot een voorstel dat dit probleem zou kunnen oplossen: kleine rode stippen zijn geen sterrenstelsels, maar superzware zwarte gaten die zijn ingebed in een dikke gasomhulling. De onderzoekers noemen deze nieuwe klasse objecten ‘zwarte gat-sterren’.
In de zomer van 2022, minder dan een maand nadat de James Webb Space Telescope (JWST) zijn eerste wetenschappelijke beelden begon te produceren, merkten astronomen iets onverwachts op: kleine rode stipjes. Op foto's die met de ongekende gevoeligheid van de JWST waren genomen, waren deze uiterst compacte, zeer rode hemellichamen duidelijk zichtbaar aan de hemel, en er leken er nogal wat te zijn. De JWST had blijkbaar een geheel nieuwe populatie astronomische objecten ontdekt, die aan de Hubble-ruimtetelescoop was ontgaan. Dat laatste is niet verwonderlijk. “Zeer rood” is astronomisch jargon voor objecten die voornamelijk licht uitstralen bij langere golflengten. De kleine rode stippen stralen voornamelijk licht uit bij golflengten van meer dan een tienduizendste meter, in het midden-infrarood. Hubble kan niet waarnemen bij zulke lange golflengten. JWST daarentegen is ontworpen om dit bereik te bestrijken. Uit aanvullende gegevens bleek dat deze objecten inderdaad ver weg waren. Zelfs de dichtstbijzijnde exemplaren waren zo ver weg dat hun licht 12 miljard jaar nodig had gehad om ons te bereiken. Astronomen kijken altijd naar het verleden, en als we een object zien waarvan het licht 12 miljard jaar nodig heeft gehad om ons te bereiken, zien we het zoals het 12 miljard jaar geleden was, slechts 1,8 miljard jaar na de oerknal.
Onverklaarbare jonge, massieve sterrenstelsels?
Hier wordt het lastig. Om astronomische waarnemingen te kunnen interpreteren, heb je een model nodig van het object in kwestie. Als astronomen naar hun gegevens wijzen en zeggen: “Dit is een ster”, dan gaat die uitspraak gepaard met een heleboel bagage. Het is alleen betrouwbaar omdat astronomen robuuste fysische modellen hebben van wat een ster is, kort gezegd, een gigantische plasmakogel die bij elkaar wordt gehouden door zijn eigen zwaartekracht en energie produceert door kernfusie in zijn centrum. Je moet ook een goed begrip hebben van hoe sterren eruitzien, zowel in beelden als in de regenboogachtige ontleding van licht die bekend staat als een spectrum. Als je dan een object ziet met het juiste uiterlijk en het juiste spectrum, kun je met zekerheid zeggen dat het een ster is.
De kleine rode stippen leken niet in een van de gebruikelijke categorieën te passen, dus gingen astronomen op zoek naar objecten buiten de standaardcategorieën. Een van de eerste interpretaties was op zich al een bom: volgens deze interpretatie waren de kleine rode stippen sterrenstelsels die extreem rijk waren aan sterren, waarvan het licht rood gekleurd was door enorme hoeveelheden stof in de omgeving. Als je ons zonnestelsel in onze eigen kosmische omgeving in een kubus met een zijde van één lichtjaar zou plaatsen, zou die kubus slechts één ster bevatten: onze zon. In de sterrenrijke sterrenstelsels die worden verondersteld om de kleine rode stippen te verklaren, zou een kubus van die grootte enkele honderdduizenden sterren bevatten.
In ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, is de enige regio met een dergelijke sterdichtheid de centrale kern, maar die bevat slechts ongeveer een duizendste van de sterren die nodig zijn in die kleine-rode-stippenmodellen. Het enorme aantal sterren, dat minder dan een miljard jaar na de oerknal al honderden miljarden zonsmassa's bedroeg, riep grote vragen op over het fundamentele begrip van astronomen van de evolutie van sterrenstelsels: konden we überhaupt verklaren hoe deze sterrenstelsels zo snel zoveel sterren hadden voortgebracht? Medeauteur Bingjie Wang (Penn State University) legt uit: “De nachtelijke hemel van zo'n melkwegstelsel zou oogverblindend helder zijn. Als deze interpretatie klopt, impliceert dit dat sterren zijn ontstaan door buitengewone processen die nog nooit eerder zijn waargenomen.”
Sterrenstelsels versus actieve galactische kernen
De interpretatie zelf bleef controversieel. De gemeenschap splitste zich in twee kampen: een groep die de voorkeur gaf aan de interpretatie van vele sterren plus stof, en een andere groep die kleine rode stippen interpreteerde als actieve galactische kernen, maar ook verduisterd door overvloedig stof. Actieve galactische kernen zijn wat we zien wanneer een gestage stroom materie op het centrale zwarte gat van een melkwegstelsel valt en een extreem hete, zogenaamde accretieschijf rond het centrale object vormt. Maar deze tweede interpretatie had ook zijn beperkingen. Er zijn duidelijke verschillen tussen de spectra van kleine rode stippen en die van de door stof rood gekleurde actieve galactische kernen die astronomen eerder hadden waargenomen. Bovendien zou deze interpretatie extreem grote massa's vereisen voor de superzware zwarte gaten in het centrum van die objecten, en verrassend veel daarvan, gezien het grote aantal kleine rode stippen dat was gevonden.
De verre schatten van RUBIES
De RUBIES-toepassing was succesvol en tussen januari en december 2024 gebruikten de astronomen bijna 60 uur JWST-tijd om spectra te verkrijgen van in totaal 4.500 verre sterrenstelsels, een van de grootste spectroscopische datasets die tot nu toe met JWST zijn verkregen. Zoals Raphael Hviding (MPIA) zegt: “In die dataset vonden we 35 kleine rode stippen. De meeste daarvan waren al gevonden met behulp van openbaar beschikbare JWST-beelden. Maar de nieuwe bleken de meest extreme en fascinerende objecten te zijn.” Het meest interessant was het spectrum van een object dat de astronomen in juli 2024 vonden. De astronomen noemden het object in kwestie “The Cliff” (de klif) en het leek een extreme versie te zijn van de populatie kleine rode stipjes – en juist daarom een veelbelovende testcase voor interpretaties van wat die kleine rode stipjes nu precies waren. The Cliff is zo ver van ons verwijderd dat het licht er 11,9 miljard jaar over deed om ons te bereiken (roodverschuiving z=3,55).
“The Cliff” dankt zijn naam aan het meest opvallende kenmerk van zijn spectrum: een steile stijging in wat het ultraviolette gebied zou zijn, bij golflengten die net iets korter zijn dan die van violet zichtbaar licht. “Zou” omdat ons universum uitdijt: een direct gevolg hiervan is dat voor een object dat zo ver weg is als The Cliff, die golflengte wordt uitgerekt tot bijna vijf keer de oorspronkelijke waarde, waardoor deze precies in het nabije infrarood terechtkomt (“kosmologische roodverschuiving”). Een opvallende stijging van dit type, bij deze golflengten, staat bekend als een “Balmer-breuk”. Balmer-breuken zijn te vinden in de spectra van gewone sterrenstelsels, waar ze meestal worden waargenomen in sterrenstelsels die op dat moment weinig tot geen nieuwe sterren vormen. Maar in die gevallen is de stijging veel minder steil dan bij The Cliff. Er was ook consensus: om het raadsel op te lossen, hadden astronomen meer en andere observatiegegevens nodig. De oorspronkelijke JWST-waarnemingen hadden beelden opgeleverd. Om fysische interpretaties te testen, hebben astronomen spectra nodig: gedetailleerde informatie over hoeveel licht een object bij verschillende golflengten uitstraalt. Voor de beste telescopen is er veel concurrentie om observatietijd. Toen eenmaal duidelijk werd hoe interessant die kleine rode stipjes waren, begonnen talrijke astronomen wereldwijd tijd aan te vragen om ze nader te observeren. Een van die aanvragen was het RUBIES-programma, opgezet door Anna de Graaff van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg en een internationaal team van collega's, waarbij de afkorting staat voor “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey” (Rode onbekenden: heldere infrarood extragalactische survey).
Een merkwaardige gelijkenis met enkele sterren
Met dit opvallende, ongebruikelijke kenmerk leek The Cliff niet te passen in een van de interpretaties die voor kleine rode stippen waren voorgesteld. Maar De Graaff en haar collega's wilden het zeker weten. Ze construeerden diverse variaties op alle modellen die kleine rode stippen probeerden te verklaren als massieve sterrenvormende sterrenstelsels of als met stof omhulde actieve galactische kernen, probeerden met elk model het spectrum van The Cliff te reproduceren, en faalden elke keer. Anna de Graaff zegt: “De extreme eigenschappen van The Cliff dwongen ons om terug te gaan naar de tekentafel en met geheel nieuwe modellen te komen.” Tegen die tijd was het idee dat Balmer-breuken in een spectrum het gevolg konden zijn van iets anders dan sterren, ter discussie gekomen (in de vorm van een artikel uit september 2024 van twee onderzoekers uit China en het Verenigd Koninkrijk). De Graaff en haar collega's waren zelf ook al met iets soortgelijks bezig: Balmer-breuken komen zowel voor in het spectrum van enkele, zeer hete, jonge sterren als in het spectrum van sterrenstelsels die een voldoende aantal van dergelijke zeer hete, jonge sterren bevatten. Vreemd genoeg leek The Cliff meer op het spectrum van een enkele ster dan op dat van een heel sterrenstelsel.
Op basis hiervan ontwikkelden De Graaff en haar collega's een model dat sommigen van hen een ‘zwart gatster’ zijn gaan noemen, afgekort als BH*: een actieve galactische kern, dat wil zeggen een superzwaar zwart gat met een accretieschijf, maar niet omgeven en rood gekleurd door stof, maar door een dikke omhulling van waterstofgas. De BH* is geen ster in strikte zin, aangezien er geen kernfusiereactor in het centrum aanwezig is. Bovendien wervelt het gas in de omhulling veel heviger (er is veel sterkere turbulentie) dan in een gewone steratmosfeer. Maar de basisprincipes van de fysica zijn vergelijkbaar: De actieve galactische kern verwarmt de omringende gasomhulling, net zoals het door kernfusie aangedreven centrum van een ster de buitenste lagen van de ster verwarmt, zodat het uiterlijk opvallende overeenkomsten vertoont.
De modellen die de Graaff en zijn collega's op dit moment hebben geformuleerd, zijn proofs-of-concept, baanbrekend werk, maar zeker nog niet perfect. Toch beschrijven deze modellen van zwarte-gatsterren de gegevens veel beter dan elk ander type model. Met name de vorm van de gelijknamige klif in het spectrum kan goed worden verklaard door uit te gaan van een turbulente, dichte, bolvormige gasomhulling rond een AGN. Vanuit dat perspectief zou The Cliff een extreem voorbeeld zijn waarbij de centrale zwarte-gatster de helderheid van het object domineert. Voor de andere kleine rode stippen zou hun licht een meer gelijkmatige mix zijn van de centrale zwarte-gatster en het licht van sterren en gas in de omliggende delen van het sterrenstelsel.
Een nieuw mechanisme voor snelle vroege vorming van sterrenstelsels?
Als een zwart gatster inderdaad de oplossing is, zou dit nog een ander potentieel voordeel kunnen hebben. Systemen van dit type waren eerder onderzocht in een puur theoretische setting, met veel lichtere zwarte gaten met een gemiddelde massa. Daar werd de opstelling met een centraal zwart gat en een omringende gasomhulling gezien als een manier waarop de massa van de centrale zwarte gaten van zeer vroege sterrenstelsels bijzonder snel kon groeien. Aangezien JWST solide bewijs heeft gevonden voor zwarte gaten met een hoge massa in het vroege heelal, zou een configuratie die de ultrasnelle massagroei van zwarte gaten zou kunnen verklaren, een welkome aanvulling zijn op de huidige modellen voor de evolutie van sterrenstelsels. Of de superzware zwarte gatsterren hetzelfde kunnen doen, is nog onzeker, maar als dat zo is, zou dat een intrigerende uitbreiding van hun rol zijn! Hoe veelbelovend dit ook klinkt, er zijn kanttekeningen te plaatsen. Het nieuwe resultaat is gloednieuw. De berichtgeving hierover is in overeenstemming met de gangbare praktijk om wetenschappelijke resultaten te behandelen zodra ze zijn gepubliceerd in, of in ieder geval zijn geaccepteerd door, een peer-reviewed tijdschrift. Maar om te weten of dit een betrouwbaar onderdeel wordt van de astronomische visie op het heelal, zullen we nog minstens een paar jaar moeten wachten.
Nog veel vragen
Het huidige resultaat betekent een belangrijke stap voorwaarts: het eerste model dat de ongebruikelijke vorm van The Cliff, de Balmer-breuk van het extreme object, kan verklaren. Zoals elke belangrijke stap voorwaarts leidt dit tot nieuwe, open onderzoeksvragen: Hoe kon zo'n zwart gatster ontstaan? Hoe kan de ongebruikelijke gasomhulling gedurende langere tijd in stand worden gehouden? (Aangezien het zwarte gat het omringende gas opslokt, moet er een mechanisme zijn om de omhulling van nieuwe brandstof te voorzien. Hoe komen de andere kenmerken van het spectrum van The Cliff tot stand? Om deze vragen te beantwoorden is een bijdrage van astrofysische modellering nodig, maar ook verdere diepgaande observaties zullen hieraan bijdragen. De Graaff en haar team hebben zelfs al toestemming gekregen voor vervolgobservaties met de JWST van kleine rode stipjes die van bijzonder belang zijn, zoals The Cliff, die voor volgend jaar op het programma staan. Deze toekomstige observaties zullen duidelijkheid verschaffen over de vraag of zwarte-gatsterren inderdaad de verklaring zijn voor hoe de huidige sterrenstelsels zijn ontstaan. Op dit moment is dat resultaat een intrigerende mogelijkheid, maar nog lang niet zeker.
Bron: Max Planck Institute for Astronomy
