Must auk, mis ei ole tekkinud tähe kokkuvarisemisest 

Väikese Punase Täpi (LRD) Abell 2744-QSO1 must auk, mida JWST vaatluskeskuse abil varajases universumis (umbes 700 miljonit aastat pärast Suurt Pauku) vaadeldi, on ülimassiivne must auk, mis on oma praeguse suuruseni kasvanud ilma palju suurema galaktikata, mis seda toidaks. Tähe evolutsiooni standardmudeli kohaselt tekivad mustad augud suuremate tähtede surmast nende eluea lõpus, kui neil saab tähetuuma kokkuvarisemise tagajärjel kütus otsa. Need mustad augud kasvavad, toitudes palju suurema galaktika ainest. Väikese Punase Täpi QSO1 must auk ei sobi sellesse raamistikku ja on uudne. See tekkis otse ilma standardse tähe evolutsioonita, st see ei ole jäänuk. suure sureva tähe tuuma kokkuvarisemisest. Selle asemel on tegemist kas otsese kokkuvarisemisega musta auguga (DCBH) või ürgse musta auguga (PBH). Varem on oletatud, et mustad augud ei ole tekkinud tähe kokkuvarisemisest. See on tõend musta augu kohta, mis on moodustunud protsessi käigus, mis ületab standardset protsessi. tähe evolutsioon.  

Kuidas must auk tekib? Tähtede evolutsiooni standardmudeli kohaselt on mustad augud massiivsete tähtede evolutsiooni lõppjärgus produktid. Tähed muutuvad aja jooksul. 

Tähe elu algab galaktikas suurtes tähtedevahelistes gaasi- ja tolmupilvedes, kus madala temperatuuri tõttu kogunevad gaasid suure tihedusega taskutesse. Klombid koguvad järk-järgult üha rohkem ainet ja kasvavad. Mingil hetkel varisevad klombid suurenenud sissepoole suunatud gravitatsioonijõu tõttu kokku. Kokkuvarisemise ajal tekkiv hõõrdumine kuumutab ainet ja sünnib noor täht. See on tähe elutsüklis prototähe staadium. Gravitatsiooniline kokkuvarisemine jätkub edasi, mis viib prototähe tuumas temperatuuri ja rõhu järkjärgulise tõusuni. Õige aja jooksul muutuvad temperatuur ja rõhk piisavalt kõrgeks, et vesiniku tuumad saaksid ühineda. Tuumasüntees vabastab tohutu hulga energiat, mis kuumutab ainet piisavalt, et vältida edasist kokkuvarisemist gravitatsiooni mõjul. See on tähe "peajärjestuse staadium". Vesinik on peamine kütus. 

Kui kütus saab otsa, peatub tuumasüntees ja materjalide kuumutamiseks, et tasakaalustada sissepoole suunatud gravitatsioonijõudu, pole energiat ning tuum variseb kokku, jättes maha kompaktse jäänuse. See on tähe lõpp. Surnud täht või kompaktne jäänus on kas valge kääbus või neutrontäht või must auk sõltuvalt algse tähe massist. Tähed, mis on raskemad kui 20 Päikese massi (>20 M⦿), muutuvad mustadeks aukudeks tähe evolutsiooni lõpus, kui kütus otsa saab. See on standardne viis – kõigepealt tekivad tähed ja galaktikad ning mustad augud tekivad hiljem tähe evolutsiooni lõppstaadiumis. Selliste mustade aukude mass on palju väiksem kui galaktika kogumass. 

Mustade aukude mittetähtne moodustumine

Kas mustad augud saavad tekkida muul viisil kui tähetuuma kokkuvarisemise teel? On teoreetiliselt välja pakutud kaks "mitte-tähtede" tekkekanalit. 

Varases universumis võis suur ürgne gaasipilv otse mustaks auku kokku variseda, möödudes normaalsest tähtede tekkest ja evolutsioonist, mille tulemuseks olid nn otsese kokkuvarisemise mustad augud (DCBH). Teised hüpoteetilised mustad augud, mis tekkisid otse ilma standardse tähtede evolutsiooni osaluseta, on ürgsed mustad augud (PBH). PBH-d on Suure Paugu jäänused, mis tekkisid väga varajase universumi äärmuslike tiheduse kõikumiste käigus vahetult pärast Suurt Pauku. 

Mustade aukude teket "mittetähtsete" kanalite kaudu käsitletakse vaid teoreetiliselt, seega on need hüpoteetilised. Kuid asjad hakkasid kiiresti muutuma, kui 2021. aasta detsembris käivitati JWST, infrapunane kosmoseobservatoorium, mis on pühendatud varajase universumi uurimisele.

James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) muudab varajase universumi uurimist revolutsiooniliselt 

JWST on teinud mitmeid tähelepanekuid, mis seavad kahtluse alla meie arusaama varajasest universumist. JADES-GS-z14-0 galaktika vaatlus punanihkega 14.32, mis teeb sellest teadaolevalt kõige kaugema galaktika. See galaktika tekkis varajases universumis umbes 290 miljonit aastat pärast Suurt Pauku, kuid on suur, massiivne ja väga helendav galaktika. Samuti leiti, et see on metallirikas, mis tähendab, et massiivsete tähtede põlvkonnad olid varajases universumis juba umbes 290 miljoni aasta pärast oma elutee sünnist supernoova plahvatuseni lõpetanud. Samamoodi leiti, et varajase universumi galaktika GS-NDG-9422, mis dateeriti umbes miljard aastat pärast Suurt Pauku, oli keemiliselt keeruline ja ilma III populatsiooni tähtedeta. Praeguse arusaama kohaselt peaksid varajase universumi esimese põlvkonna tähed olema III populatsiooni tähed, millel puudub metallilisus. (Astronoomias peetakse iga heeliumist raskemat elementi metalliks. Keemilised mittemetallid, nagu hapnik, lämmastik jne, on kosmoloogilises kontekstis metallid. Tähed rikastuvad metalliga igas supernoova sündmusele järgnevas põlvkonnas.) 

JWST on varases universumis täheldanud ka ülimassiivseid musti auke. Üks selline must auk pärineb umbes 700 miljonist aastast pärast Suurt Pauku ja selle mass oli umbes paar miljonit korda suurem kui Päikese mass. Kõik sai alguse sellest, kui JWST vaatles väikeseid punaseid täppe (LRD-sid), mida märgati JWST esimeses andmeväljaandes 2022. aastal. Nendel punastel kompaktsetel objektidel olid V-kujulised spektrid ja need näitasid suure kiirusega vesinikgaasi kiirgust. 

Väikese punase täpi QSO1 (või Abell2744-QSO1) 

QSO1 (või Abell2744-QSO1) on prototüüpne väike punane täpp, mille läbimõõt on umbes 1,300 valgusaastat ja kaugus enam kui 13 miljardit valgusaastat. See eksisteeris varajases universumis vaid 700 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Seda ümbritseb gravitatsioonilääts galaktikaparv Abell 2744 (Pandora parv), mistõttu see on nii suurendatud kui ka kolmekordselt pildistatud, ilmudes taevas kolmes erinevas kohas. Seetõttu on QSO1-e lihtsam uurida kui enamikku teisi väikeseid punaseid täppe. 

Selle väikese punase täpi (LRD) detailne uurimine on viinud teadlased järeldusele, et mõned ülimassiivsed mustad augud olid algusest peale tohutud. Need tekkisid ilma tähe kokkuvarisemise faasita ja ilma oluliselt massiivsema peremeesgalaktikata, mis neid toidaks. 

QSO tähistab kvaasitäheobjekti (mida tavaliselt nimetatakse kvasariks). 

Esialgsed uuringud olid näidanud, et QSO1 on midagi enamat kui hõõguva vesiniku ja heeliumi pilv, mis tiirleb ümber umbes 40 miljonit korda Päikese massist suurema supermassiivse musta augu. Siiski oli ebaselge, kas see on tõesti nii massiivne. Selle põhjuseks oli asjaolu, et seni olid kõik varajase universumi mustade aukude massi mõõtmised olnud kaudsed, tuginedes eeldustele, mida me nende kohta kohalikus universumis teame. Me ei teadnud, kas need eeldused kehtivad ka varajase universumi kohta. 

Teadlased mõistsid, et kui QSO1 must auk on tõesti nii massiivne, peaksid nad suutma kasutada JWST-i integraalväljaüksust (IFU), et jälgida selle gravitatsiooni mõju selle ümber keerlevale gaasile, samal ajal kaardistades ka erinevate elementide jaotust gaasis. Seega kasutasid nad IFU vaatlusi ja kaardistasid musta auku ümbritseva vesinikgaasi liikumist. 

Pöörlemiskiiruse graafik keskpunktist kauguse funktsioonina näitas, et gaasil oli Kepleri liikumine, mis tähendab, et suurem osa Little Red Dot QSO1 massist on koondunud musta auku keskmes. Kui mass oleks jaotunud, ei oleks gaas tiirlenud ümber keskpunkti täiuslikul Kepleri viisil samamoodi nagu planeedid tiirlevad ümber Päikesesüsteemis. 

Kuna Kepleri liikumist reguleerivad gravitatsiooniseadused, võimaldasid gaasikiiruse mõõtmised teadlastel musta augu massi otse arvutada. See oli esimene varajase universumi musta augu massi otsene mõõtmine. Leiti, et QSO1 musta augu mass on umbes 50 miljonit Päikese massi. Samuti moodustab see must auk kaks kolmandikku QSO1 kogumassist. See on väga haruldane, kuna lähedalasuvate galaktikate ülimassiivsed mustad augud moodustavad üldiselt vaid väikese osa peremeesgalaktika kogumassist.

Lisaks näitas IFU koostisekaartide analüüs, et QSO1 gaas koosneb peaaegu täielikult vesinikust ja heeliumist. Tähtede ja tähepuru poolest rikas galaktika peaks sisaldama raskemaid elemente nagu hapnik, kuid QSO1 metallisisaldus on äärmiselt madal, alla 0.5% Päikese omast, mis viitab sellele, et QSO1 galaktika keskkond on väga puutumatu.

QSO1 tohutu mass oma peremeesgalaktika suhtes viitab sellele, et see ei pruukinud tekkida väiksemate tähemassiga mustade aukude järkjärgulise ühinemise ja toitumise tulemusena. Ilmselt on Väikese Punase Täpi QSO1 must auk eelnenud tähtede evolutsiooniprotsessile. See võis areneda raskest seemnest, mis tekkis Suure Paugu esimesel sekundil (ürgne must auk) või mõnevõrra hiljem hiiglasliku gaasipilve kokkuvarisemisest (otsese kokkuvarisemise must auk) ja võib olla selle ümber galaktika ehitamise algstaadiumis. Praegu ei ole võimalik öelda, kas Väikese Punase Täpi QSO1 ülimassiivne must auk on ürgne must auk (PBH) või otsese kokkuvarisemise must auk (DCBH); aga on tõendeid mustade aukude mittetähtelisest moodustumisest varajases universumis.

***

viited: 

1. Maiolino R., et al 2026. Must auk peaaegu puutumatus galaktikas 700 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Kuningliku Astronoomiaühingu igakuised teadaanded, 548. köide, 1. väljaanne, mai 2026, staf2109. Avaldatud 06. aprillil 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. jt. Musta augu massi otsene mõõtmine väikeses punases täpis suure punanihke korral. Nature 653, 1017–1021 (2026). Avaldatud 27. mail 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASA Webb paljastab musta augu, mis tekkis enne selle galaktikat. Postitatud 27. mail 2026. Saadaval aadressil https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Teemaga seotud artiklid 

James Webbi kosmoseteleskoop (JWST): esimene kosmoseobservatoorium, mis on pühendatud varajase universumi uurimisele (6 november 2021) 

Varajase universumi uurimine: REACH-katse, et tuvastada kosmilise vesiniku tabamatu 21-sentimeetrine joon(3 august 2022) 

Pruunid kääbused (BD): James Webbi teleskoop tuvastab väikseima objekti, mis on moodustatud tähetaoliselt (5 jaanuar 2024) 

Varajase universumi vanim must auk seab proovile musta augu moodustumise mudeli (24 jaanuar 2024) 

Varajane universum: kõige kaugem galaktika "JADES-GS-z14-0" esitab väljakutse galaktika moodustumise mudelitele (12 august 2024) 

Metallirikaste tähtede paradoks varases universumis (27 september 2024)

***