James Webb upptäcker en ”svart hålstjärna” stor som solsystemet

Astronomer har upptäckt vad som kan vara en helt ny typ av astrofysiskt objekt: en ”svart hålstjärna” som kombinerar ett massivt svart hål med ett enormt gashölje som liknar en stjärna. Objektet, som fått namnet MoM-BH*-1, upptäcktes av NASA:s James Webb-rymdteleskop (JWST) i det mycket tidiga universumet, bara några hundra miljoner år efter Big Bang.

Objektet framträder som en extremt ljus röd prick, ungefär lika stor som vårt solsystem. Ändå uppskattas dess energiproduktion vara 100 miljarder gånger större än hos vilken vanlig stjärna som helst, vilket gör konventionell kärnfusion omöjlig som energikälla. Istället tror forskarna att objektet drivs av ett centralt svart hål omgivet av ett enormt, tätt moln av vätgas.

”Vi tror att det finns ett centralt svart hål som är 100 000 gånger så massivt som solen”, säger huvudförfattaren Rohan Naidu, NASA Hubble Fellow och Pappalardo Fellow vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. Det svarta hålet skulle vara omgivet av ett utsträckt gashölje som är ungefär lika stort som solsystemet, vilket ger objektet dess stjärnliknande utseende.

Upptäckten gjordes inom ramen för Mirage- eller Miracle-undersökningen (MoM), som gick igenom JWST-observationer för att hitta några av de tidigaste galaxerna i universum. Forskarna lade märke till att en särskilt ljus källa såg ovanlig ut på grund av sin intensiva röda färg.

Röda objekt på bilder från rymdens djup anses ofta vara omgivna av stoft, vilket kan förändra ljusets synliga färg. MoM-BH*-1 uppvisade dock ett antal andra ovanliga egenskaper. Dess ljus uppvisade ett exceptionellt djupt Balmer-avbrott, ett spektralt kännetecken som är förknippat med tät gas som absorberar fotoner i stjärnors atmosfärer. Objektet uppvisade dessutom nästan inga tecken på grundämnen tyngre än väte och helium.

Forskarna genomförde därefter simuleringar av olika möjliga konfigurationer för att ta reda på vad som kunde ge upphov till objektets karakteristiska spektrum och ljusstyrka. De fann att ett extremt tätt hölje av väte kunde förklara de ovanliga spektrala egenskaperna, men inte den extraordinära mängden energi som avges.

Ett svart hål visade sig vara den saknade pusselbiten. Genom att lägga till ett aktivt ackreterande svart hål i sina modeller och variera dess massa och andra parametrar fann forskarna en konfiguration som stämde väl överens med JWST:s observationer. Deras simuleringar tyder på att MoM-BH*-1 innehåller ett svart hål som är ungefär 100 000 gånger tyngre än solen, omgivet av ett tätt vätehölje som är ungefär lika stort som solsystemet.

Det föreslagna objektet skiljer sig i grunden från både en vanlig stjärna och ett konventionellt svart hål. I en vanlig stjärna tillhandahåller kärnfusionen energin medan den omgivande gasen bildar stjärnkroppen. I en svarthålsstjärna fungerar det ackreterande svarta hålet som kraftkälla, medan den omgivande täta gasen skapar ett stjärnliknande yttre hölje. Den medföljande illustrationen i materialet från MIT jämför de tre strukturerna och visar att svartthålsstjärnans hölje sträcker sig till ungefär solsystemets storlek.

Upptäckten skulle också kunna bidra till att förklara ett av de största mysterierna som JWST har lyft fram: de många ”små röda prickarna” som dyker upp i observationer av det tidiga universum. Dessa objekt är extremt vanliga i JWST-bilder men verkar i stort sett ha försvunnit från det moderna universum.

Forskarna misstänker att många av dessa små röda prickar i själva verket kan vara svarta hålstjärnor inbäddade i tidiga galaxer. MoM-BH*-1 framstår som ovanlig eftersom den är så ljus att den i praktiken överstrålar sin värdgalax, vilket gör det möjligt för astronomer att observera vad forskarteamet beskriver som nästan rent ljus från en svart hålstjärna.

Studien, med titeln ”A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn”, publicerades i Nature. Om tolkningen bekräftas av ytterligare observationer skulle svarta hålstjärnor kunna ge en ny förklaring till hur massiva svarta hål bildades och utvecklades i det tidiga universum.