Poklad jménem anomálie: Malé rudé tečky postavily astronomii na hlavu. Černé díry možná vznikají i úplně jinak
Galaxie a hvězdy vytvářejí černé díry ‒ a jinak to nejde? Zapomeňte na to. Nový výzkum Astronomického institutu Maxe Plancka naznačuje, že to může být také obráceně. Jednu hádanku to řeší, mnoho jiných otevírá.
Na první pohled to vypadá jako nějaká parodie na interpunkci: maličké, vyzývavě rudé tečky na nových obrazech, jež nám pořídil kosmický Webbův teleskop. Z neškodné kuriozity se však brzy vyvinula hádanka. Ony tečky se začaly vzpírat pravidlům přímočarých kosmologických příběhů, na jaké jsme – relativně vzato – zvyklí. „Malé rudé tečky“, jak je astronomové pojmenovali, jsou kompaktní, v infračerveném spektru intenzivně červené a (což je pro učebnicové časové osy nejnepříjemnější) zároveň zjevně pocházejí z doby, kdy byl vesmír sotva batoletem.
Vysvětlení, proč to komu vadí, vyžaduje trochu kontextu. Světlu trvá určitou dobu, než urazí určitou vzdálenost; objekt, jehož světlo k nám putuje přibližně dvanáct miliard let, vidíme tak, jak vypadal v době krátce po zrodu vesmíru. Zmiňovaný přímočarý příběh hovoří o postupném budování struktur: mraky se štěpily, vznikala hvězdná seskupení, malé galaxie se spojovaly a rostly. Tyto tečky však často vypadají jako zralejší, hvězdami nabité soustavy. V době, kdy podle popsané světlonosné logiky musely vzniknout, však nic takového ještě být nemělo.
Stovky tisíc sluncí
Nejsnazší vysvětlení je prozaické: prachové či prašné galaxie. Vesmírný prach pohlcuje kratší vlnové délky a světlo se tak pozorovateli jeví červenější, než je obvyklé. V infračerveném pásmu může být tento efekt dost výrazný. Trabl je v tom, že ony tečky jsou mimořádně jasné; aby takové jasnosti mohly dosáhnout, musely by být v porovnání s běžnou hvězdou neuvěřitelně husté (či lidštěji řečeno těžké).
Představte si sluneční soustavu vměstnanou do krychle o hraně délky jednoho světelného roku. Pokud bychom to provedli „u nás“, tedy nikoli zhruba v Holešovicích, nýbrž zhruba na Zemi, pravděpodobně by v takové krychli bylo Slunce hvězdou jedinou. V modelu „prašné galaxie“ by stejná krychle musela obsahovat stovky tisíc sluncí. Dokonce i husté srdce Mléčné dráhy je proti tomu anemicky pobledlé. Naložit do mladé galaxie stovky miliard takových sluncí o běžné hmotnosti nijak neodpovídá běžným představám o tom, jak rychle se dokáže koncentrovat hmota, konkrétně jak rychle mohou vznikat hvězdy.
Druhá hypotéza se upíná k aktivním galaktickým jádrům. To jsou superhmotné černé díry, které při požírání plynu září jako kvasary. Ty mohou být červené, pokud jsou zahalené prachem, což často jejich domovskou galaxii zastíní (ačkoli správnější by bylo říct „zasvětlí“).
I tato hypotéza však má vážný problém. Barevná spektra nejsou nic jiného než podrobný otisk světla podle vlnových délek; ta, jež se objevují u řečených malých rudých teček, však neodpovídají hodnotám v astronomii běžným. Navíc by pro udržení této představy bylo nutné brát v potaz existenci překvapivě vysokého počtu mimořádně hmotných černých děr v raném vesmíru.
Záhadný Útes
Astronomové proto sáhli po lepších datech, jež jim dodal program RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey). Pomocí Webbova teleskopu pořídil za téměř šedesát hodin spektra asi 4500 vzdálených galaxií. Jeho snímky udávají polohu a jas; spektra prozrazují složení a fyzikální procesy. Z programu vyplavalo 35 malých rudých teček; několik již astronomové znali z předchozích výzkumů snímků, několik bylo nových.
Právě ty nové byly výjimečně podivné. Nejvíce pozornosti upoutal exemplář, jenž si svým neobvyklým zjevem vysloužil pojmenování Útes. Nyní to bude krapet technické; expert promine nutná zjednodušení.
Tým vedený astrofyzičkou Annou de Graaffovou z německého Astronomického institutu Maxe Plancka Útes využil, aby zpochybnil obě výše zmíněné hypotézy a nabídl vlastní. Argumentují, že hvězdy s takovou jasností se nemohly v raném vesmíru zformovat. „Místo toho navrhujeme, že nejpravděpodobnějším modelem je ionizovaný světelný zdroj zrudlý hustým, absorpčním plynem v okolí,“ píše tým.
Jinými slovy, silná vrstva plynu obklopujícího Útes absorbovala světlo a zbarvila ho do červena. To vedlo „uvnitř“ Útesu k silnému případu úkazu známého jako Balmerův zlom (zhruba prudká změna spektrální délky, jež působí dojmem, jako by kus spektra zmizel). Tato charakteristika se používá k určení stáří hvězdy nebo galaxie; Útes vypadá, jako by byl podstatně starší, než je.
Proč? Mladé galaxie obsahují mnoho hvězd vyzařujících velké množství světla na krátkých vlnových délkách (modré, fialové, ultrafialové). Tyto hvězdy žijí jen několik milionů let. Když odumřou, přestanou vyzařovat své (většinově) studené světlo, pročež celkové světlo galaxie se prudce „ohřeje“ – jako by došlo k přerušení spektra. Čím je galaxie starší, tím teplejší je její barva.
Podle tohoto vzorce Útes vypadá, jako by byl starý téměř 12 miliard let – to ale podle všeho není pravda. Je to, jako byste v kolébce našli v dupačkách teenagera namísto novorozence. „Není to možné a částka taky nesedí,“ řekli by astronomové, kdyby uvažovali jako fotbalisté.
Černoděrová hvězda aneb BH*
Tak tomu naštěstí není. Naopak, týmu Anny de Graaffové dal program RUBIES podnět k novému nápadu. Provizorně jej nazvali „černoděrová hvězda“, zkráceně BH*. Je to provokativní jako kočkopes: obvykle je něco buď jedno, nebo druhé.
Zde jde o hybrid, superhmotnou černou díru obklopenou hustým, nestálým obalem z vodíkového plynu. Obal se zahřívá a následně vyzařuje světlo, jež vypadá podobně jako spektrum hvězdné atmosféry. Turbulence a hustota plynu pak vytváří právě zmíněný výrazný Balmerův zlom.
Označení BH* docela nesedí. Onen objekt není hvězdou v tradičním smyslu, chybí mu zdroj energie v podobě jaderné fúze. Místo toho hraje obdobnou roli radiace poháněná akrecí. (Akrece, pokud si zrovna nemůžete vzpomenout, je proces, při němž se hmota přitahovaná gravitací – plyn, prach nebo částice – shromažďuje u hmotného tělesa a padá na něj. Často se tvoří akreční disk – rotující prstenec materiálu kolem centra, např. kolem černé díry nebo mladé hvězdy, kde tření a komprese zahřívají plyn a uvolňují energii. U kvasarů je právě akrece hlavním zdrojem intenzivního záření.)
Modely programu RUBIES zde tedy spíše poskytují důkaz o existenci principu, než že by nabízely hotové řešení záhady. Přesto však lépe než jakékoli jiné dosud známé hypotézy vysvětlují zvláštnosti Útesu. Tam, kde vysvětlení pomocí prašných galaxií ani aktivních galaktických jader nefungují, poskytuje hustý sférický obal obepínající hladovou černou díru funkční popis základní zvláštnosti rudých teček.
Pokud se ukáže, že hypotéza o BH* má pravdu, nabídne to vysvětlení i jiného astrofyzikálního problému: jak dokázaly superhmotné černé díry tak rychle nabrat na objemu. Jedna teoretická cesta vede přes přímý kolaps. Pokud by se obrovské plynné mračno nerozštěpilo na kusy (budoucí hvězdy), ale zhroutilo se do jediného dominantního černého tělesa, mohlo by po sobě zanechat plynový obal. (To by naznačovalo koexistenci sestrojenou patrně za účelem matení astronomů: obal by se neustále z jádra „dokrmoval“ a zároveň by je skrýval.) Hypotéza o BH* by potvrdila rychlý růst bez nutnosti vysvětlovat všeobecně nepravděpodobně urychlenou akreci.
Kde status quo tlačí bota
To je všechno pěkné, ale všechny problémy to ani tak neřeší. Jak se takové ultrapravěké mračno vyhne fragmentaci na hvězdy? K fragmentaci obvykle vede ochlazování a turbulence plynu; potlačit ji mohou jen zvláštní, obvykle vzácné podmínky ‒ chemické složení, silné přítoky, radiace a podobně. Pokud BH* vznikne, může jeho obal přetrvat tak dlouho, aby jej bylo možné pozorovat? A konečně, počet malých rudých teček nalezených v RUBIES naznačuje, že podmínky pro vznik BH* buď nebyly mimořádně vzácné, anebo existují různé kanály jejich formování.
Zodpovězení takových otázek bude na teoreticích. V praxi jim již brzy začnou pomáhat kromě Webbova teleskopu i radioteleskop Square Kilometre Array (staví se v Jižní Africe a Austrálii) a Extrémně velký teleskop, což zní jako něco, co pojmenoval Donald Trump, ale ve skutečnosti je to gigadalekohled vznikající v Chile.
Ať však už budou jejich odpovědi jakékoli, BH* již teď odvedly obrovsky užitečnou práci v podobě poučení o tom, jak věda funguje. Jedním z jejích nejcennějších nástrojů zůstává anomálie: jediné pozorování dokáže postavit na hlavu teorie pracně balancující na hraně přijatelnosti a nahradit je nápady novými. Malé rudé tečky jsou toho příkladem; přinutily vědce, aby přehodnotili zaběhnuté uvažování. Ať už se nakonec BH* etablují jako významný prvek raného kosmického vývoje, získají status vzácné epizody nebo se prokáže, že vedou do slepé uličky, již teď odhalily, kde současné kosmologické modely tlačí bota.
Konceptuálně to má svůj půvab. Namísto dosud všeobecně platné představy, že galaxie a hvězdy plodí černé díry, by se mohlo prokázat, že někdy – za okolností, jež na objasnění stále čekají – by mohly nejdříve vzniknout objekty soustředěné kolem černé díry, z nichž posléze vzejdou hvězdy a galaxie v jejich okolí. Takový zvrat poskytuje kosmologii přesně ten typ posunu, který ji žene kupředu.
