De complexe puzzel die bekendstaat als de ‘little red dot's’ is sinds de eerste ontdekking door de James Webb-ruimtetelescoop van NASA in 2022 steeds completer geworden. Nu helpt het spectrum van een bepaald klein rood stipje om veel van de stukjes met elkaar te verbinden. Een team van astronomen onder leiding van Vasily Kokorev van de Universiteit van Texas in Austin heeft het betreffende gelukkige stipje geïdentificeerd: GLIMPSE-17775.
Door het spectrum van het stipje, vastgelegd door Webb, het tot nu toe meest gedetailleerde spectrum van een ‘little red dot’, zorgvuldig te analyseren, heeft het onderzoeksteam meerdere aanwijzingen gevonden die allemaal de interpretatie ondersteunen dat GLIMPSE-17775 een superzwaar zwart gat is, gehuld in een dichte cocon van gedeeltelijk geïoniseerd gas, een model dat het BH*-scenario (black hole star) wordt genoemd. Een artikel waarin de resultaten worden beschreven, is vandaag gepubliceerd in The Astrophysical Journal. “Ik denk dat een deel van de wetenschappelijke gemeenschap tot een eenduidig beeld komt, dat kleine rode stippen verklaard kunnen worden door black hole star-modellen. Maar bij geen van de eerdere kleine rode stippen waren alle bewijsstukken op één plek te vinden,” aldus Kokorev, hoofdauteur van de studie. “Met GLIMPSE-17775 kunnen we deze modellen toetsen vanwege de diepte en het verbazingwekkende karakter van het spectrum van deze bron.”
De puzzelstukjes in elkaar passen
Kort nadat de Webb-telescoop met zijn wetenschappelijke waarnemingen was begonnen, ontdekte hij een nieuw, mysterieus type object in het zeer vroege heelal: talrijke rode objecten die ongeveer 600 miljoen jaar na de oerknal ontstonden. Wetenschappers hebben verschillende verklaringen voor deze kleine rode stipjes onderzocht, waaronder het scenario van een zwarte-gat ster. Een reeks gelukkige omstandigheden zorgde voor dit nieuwe, gedetailleerde spectrum van een klein rood stipje. Het kleine rode stipje dat bekend zou komen te staan als GLIMPSE-17775 was gelukkig opgenomen in de beeldvormings- en spectroscopie-inspanningen van Webb voor een project dat op zoek was naar Population III-sterren en vage sterrenstelsels in de sterrenstelselcluster Abell S1063. Dit kleine rode stipje bevindt zich verder weg dan de sterrenstelselcluster en wordt vergroot door zwaartekrachtlenzen. (GLIMPSE-17775 heeft een kosmologische roodverschuiving van 3,5, wat betekent dat het ongeveer 1,8 miljard jaar na de oerknal bestond.)
Hoewel Webb een spectrum van 30 uur van het kleine rode stipje leverde, maakte het effect van zwaartekrachtlenzen dit gelijk aan 80 uur telescooptijd. Deze combinatie van Webbs infraroodgevoeligheid en de ‘vergrootglas’-werking van de natuur versterkte de hoeveelheid details die uit GLIMPSE-17775 konden worden gehaald. Het resultaat was meer dan 40 spectraallijnen van deze kleine, rode bron, wat het meest gedetailleerde spectrum van een kleine rode stip tot nu toe is. “Toen we het spectrum voor het eerst zagen, was het alsof alle stukjes van een puzzel over de vloer verspreid lagen,” zei Kokorev. “We raapten elk stukje van de puzzel op, maten de lijnen en begonnen de verschillende stukjes tot een mozaïek samen te voegen. Misschien leken sommige stukjes in eerste instantie nergens op, maar toen vielen er een paar op hun plaats en beseften we dat er iets aan de hand was.” De spectroscopische gegevens die door Webb zijn verzameld, bevatten meerdere aanwijzingen die de interpretatie ondersteunen dat het kleine rode puntje GLIMPSE-17775 een zwarte-gatster is: een snel accreterend, of groeiend, zwart gat omhuld door een dichte gascocon, die het licht dat in de buurt van het zwarte gat wordt uitgezonden, herverwerkt en de kenmerken produceert die in het spectrum te zien zijn.
Bewijsmateriaal
Onder de meer dan 40 spectraallijnen die het team in het spectrum van GLIMPSE-17775 heeft waargenomen, bevonden zich diverse onafhankelijke aanwijzingen die allemaal aansluiten bij het BH*-scenario. Zo ontdekte het team dat veel van de spectraallijnen, zoals die van waterstof, zuurstof en helium, niet passen in een eenvoudig model van een roterende gaswolk. In plaats daarvan omvat het model dat het beste past een verbredingseffect dat bekend staat als elektronenverstrooiing, een duidelijk teken dat een dichte, gelaagde gascocon deze bron omhult. De sterkte en verhoudingen van bepaalde lijnen ten opzichte van elkaar, met name de 16 ijzerlijnen die samen wat het team een ‘ijzerbos’ heeft genoemd vormen, en bepaalde zuurstoflijnen, vereisen een hoogenergetische bron om ze te produceren, zoals een snel accreterend zwart gat. Bovendien constateerden astronomen de fluorescentie en absorptie van helium in het spectrum, die beide afzonderlijk suggereren dat er een dicht medium is dat een krachtige bron omhult.
Het BH*-scenario past niet alleen bij GLIMPSE-17775; het verklaart ook waarom de meeste kleine rode stippen zwak zijn in röntgenstraling, aangezien dergelijke emissie waarschijnlijk wordt geabsorbeerd door de dichte gascocon. Een ontbrekend stukje van de GLIMPSE-17775-puzzel is het deel van het spectrum dat een zogenaamde Balmer-breuk zou onthullen, oftewel een sterke daling in het uitgestraalde licht die kenmerkend is voor ‘little red dots’. Om een beter begrip van deze kleine rode stip te krijgen, heeft het team aanvullende gegevens gebruikt van twee observatieprogramma's die gebruik maakten van NASA's Hubble-ruimtetelescoop: de Frontier Fields- en BUFFALO-programma's (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations). De gegevens van Webb en Hubble helpen samen verklaren waarom de Balmer-breuk zwakker is dan wat doorgaans wordt aangetroffen bij andere kleine rode stippen: GLIMPSE-17775 wordt omringd door een gigantisch gastheelal. Hoewel het gastheelal van een kleine rode stip niet iets is dat eerder op een dergelijke schaal is waargenomen, is het niet in strijd met het model van de dichte gascocon. Het zwarte-gat-sterrenmodel van kleine rode stippen schrijft het overtollige blauwe licht toe aan sterren in het gastheelal.
Toen Webb voor het eerst kleine rode stipjes ontdekte, dachten sommige onderzoekers dat deze objecten de ‘kosmologie op zijn kop zetten’, omdat ze zich niet konden voorstellen hoe sterrenstelsels in het vroege heelal zo snel zo groot konden zijn geworden om al dit licht van hun sterren te kunnen produceren. Het team is echter van mening dat het puzzelstukje GLIMPSE-17775 prima past in het bestaande kader van de evolutiegeschiedenis van het heelal, omdat de massa’s van zwarte gaten niet zo groot hoeven te zijn om de brede emissielijnen te verklaren. “Alles klopt, er is niets kapot, en ik denk dat dat de puzzel die ons universum is nog mooier maakt”, aldus Kokorev. “Ik kijk ernaar uit om me er verder in te verdiepen en te ontdekken wat de centrale motoren van de kleine rode stipjes aandrijft. Hoewel we denken dat het een zwart gat is, worden er ook andere interessante theorieën voorgesteld, wat spannend is. Misschien hebben we over een jaar of twee het definitieve antwoord op de vraag wat deze bronnen aandrijft.”
Bron: NASA/JWST
