Čierna diera, ktorá nevznikla z kolapsu hviezdy 

Čierna diera v galaxii Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, ktorú pozoroval JWST v ranom vesmíre (asi 700 miliónov rokov po Veľkom tresku), je supermasívna čierna diera, ktorá narástla do svojej súčasnej veľkosti bez oveľa väčšej galaxie, ktorá by ju živila. Podľa štandardného modelu hviezdnej evolúcie čierne diery vznikajú smrťou väčších hviezd na konci ich životného cyklu, keď im dôjde palivo v dôsledku kolapsu hviezdneho jadra. Tieto čierne diery zväčšujú svoju veľkosť tým, že sa živia hmotou z oveľa väčšej galaxie. Čierna diera v galaxii Little Red Dot QSO1 do tohto rámca nezapadá a je nová. Vznikla priamo bez štandardnej hviezdnej evolúcie, t. j. nie je pozostatkom. kolapsu jadra veľkej umierajúcej hviezdy. Namiesto toho ide buď o čiernu dieru s priamym kolapsom (DCBH), alebo o primordiálnu čiernu dieru (PBH). Čierne diery, ktoré nevznikli z hviezdneho kolapsu, boli teoreticky predpokladané už skôr. To je dôkaz čiernej diery, ktorá vzniká procesom, ktorý presahuje štandardné hviezdny vývoj.  

Ako vzniká čierna diera? Podľa štandardného modelu hviezdnej evolúcie sú čierne diery konečným produktom evolúcie hmotných hviezd. Hviezdy prechádzajú zmenami s postupom času. 

Život hviezdy začína vo veľkých medzihviezdnych oblakoch plynu a prachu v galaxii zhlukovaním plynov v dôsledku nízkej teploty do vreciek s vysokou hustotou. Zhluky postupne zhromažďujú stále viac a viac hmoty a rastú. V určitom bode sa zhluky zrútia v dôsledku zvýšenej gravitačnej sily smerujúcej dovnútra. Trenie počas kolapsu zahrieva hmotu a zrodí sa hviezda. Toto je štádium protohviezdy v životnom cykle hviezdy. Gravitačný kolaps pokračuje ďalej, čo vedie k postupnému zvyšovaniu teploty a tlaku v jadre protohviezdy. Postupom času sa teplota a tlak stanú dostatočne vysokými, aby umožnili fúziu jadier vodíka. Jadrová fúzia uvoľňuje obrovské množstvo energie, ktorá dostatočne zahrieva hmotu, aby zabránila ďalšiemu kolapsu vplyvom gravitácie. Toto je „štádium hlavnej sekvencie“ hviezdy. Vodík je hlavným palivom. 

Keď sa palivo vyčerpá, jadrová fúzia sa zastaví a nie je k dispozícii energia na ohrev materiálov, aby sa vyrovnala vnútorná gravitačná sila, a jadro sa zrúti, pričom po sebe zostane kompaktný zvyšok. Toto je koniec hviezdy. Mŕtva hviezda alebo kompaktný zvyšok je buď biely trpaslík, alebo neutrónová hviezda, alebo čierna diera v závislosti od hmotnosti pôvodnej hviezdy. Hviezdy ťažšie ako 20 hmotností Slnka (>20 M⦿) sa na konci hviezdnej evolúcie stanú čiernymi dierami, keď sa im minie palivo. Toto je štandardný spôsob – hviezdy a galaxie vznikajú ako prvé a čierne diery vznikajú neskôr, ako konečná fáza hviezdnej evolúcie. Hmotnosť takýchto čiernych dier je oveľa menšia ako celková hmotnosť galaxie. 

Nehviezdna tvorba čiernych dier

Môžu čierne diery vzniknúť aj inými spôsobmi ako kolapsom hviezdneho jadra? Boli teoreticky uvažované dva „nehviezdne“ kanály ich vzniku. 

V ranom vesmíre sa môže veľký prvotný oblak plynu zrútiť priamo do čiernej diery, čím sa obíde normálna tvorba a vývoj hviezd, čo vedie k vzniku toho, čo nazývame čierne diery s priamym kolapsom (DCBH). Ďalšími hypotetickými čiernymi dierami, ktoré vznikli priamo bez zapojenia štandardnej hviezdnej evolúcie, sú prvotné čierne diery (PBH). PBH sú pozostatkami Veľkého tresku, ktoré vznikli pri extrémnych fluktuáciách hustoty veľmi raného vesmíru krátko po Veľkom tresku. 

Čierne diery vytvorené cez „nehviezdne“ kanály sú len teoretické, a preto sú hypotetické. Veci sa však začali rýchlo meniť so spustením JWST v decembri 2021, infračerveného vesmírneho observatória venovaného štúdiu raného vesmíru.

Vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST) spôsobil revolúciu v štúdiu raného vesmíru 

JWST vykonal niekoľko pozorovaní, ktoré spochybňujú naše chápanie raného vesmíru. Pozorovanie galaxie JADES-GS-z14-0 s červeným posunom 14.32 z nej robí najvzdialenejšiu známu galaxiu. Táto galaxia vznikla v ranom vesmíre približne 290 miliónov rokov po Veľkom tresku, no napriek tomu je to veľká, masívna a vysoko svietivá galaxia. Zistilo sa tiež, že je bohatá na kovy, čo znamená, že generácie hmotných hviezd by už mali dokončiť svoj životný cyklus od narodenia až po výbuch supernovy približne 290 miliónov rokov v ranom vesmíre. Podobne sa zistilo, že galaxia raného vesmíru GS-NDG-9422, ktorá datuje približne miliardu rokov po Veľkom tresku, je chemicky zložitá a neobsahuje žiadne hviezdy populácie III. Podľa súčasných poznatkov by prvá generácia hviezd raného vesmíru mala byť hviezdami populácie III s nulovou metalicitou. (V astronómii sa akýkoľvek prvok ťažší ako hélium považuje za kov. Chemické nekovy, ako je kyslík, dusík atď., sú v kozmologickom kontexte kovy. Hviezdy sa v každej generácii po udalosti supernovy obohacujú o kov). 

JWST tiež pozoroval supermasívne čierne diery v ranom vesmíre. Jedna takáto čierna diera pochádza z obdobia okolo 700 miliónov rokov po Veľkom tresku a merala približne niekoľko miliónov krát hmotnosť Slnka. Všetko sa to začalo pozorovaním malých červených bodiek (LRD) pomocou JWST, ktoré boli zaznamenané v prvej dátovej publikácii JWST v roku 2022. Tieto červeno sfarbené kompaktné objekty mali spektrá v tvare písmena V a vykazovali emisiu z vysokorýchlostného vodíkového plynu. 

QSO1 s malou červenou bodkou (alebo Abell2744-QSO1) 

QSO1 (alebo Abell2744-QSO1) je prototyp Malej červenej bodky s priemerom približne 1 300 svetelných rokov a vzdialenosťou viac ako 13 miliárd svetelných rokov. Existovala v ranom vesmíre len 700 miliónov rokov po Veľkom tresku. Je gravitačne šošovkovaná galaktickou kopou Abell 2744 (Pandorina kopa), preto je zväčšená a trojnásobne zobrazená a objavuje sa na troch rôznych miestach na oblohe. Vďaka tomu je QSO1 ľahšie študovať ako väčšinu ostatných Malých červených bodiek. 

Podrobná štúdia tejto Malej červenej bodky (LRD) viedla výskumníkov k záveru, že niektoré supermasívne čierne diery boli od začiatku obrovské. Vznikli bez fázy hviezdneho kolapsu a bez výrazne hmotnejšej hostiteľskej galaxie, ktorá by ich živila. 

QSO je skratka pre kvázihviezdny objekt (bežne označovaný ako kvazar). 

Počiatočné štúdie odhalili, že QSO1 je viac než len oblak žiariaceho vodíka a hélia krúžiaci okolo supermasívnej čiernej diery s hmotnosťou približne 40 miliónov krát väčšou ako Slnko. Existovala však neistota, či je skutočne taká hmotná. Bolo to preto, že doteraz boli všetky merania hmotnosti čiernych dier v ranom vesmíre nepriame, založené na predpokladoch z toho, čo o nich vieme v lokálnom vesmíre. Nevedeli sme, či tieto predpoklady skutočne platia pre raný vesmír. 

Výskumníci si uvedomili, že ak je čierna diera QSO1 skutočne taká masívna, mali by byť schopní použiť integrálnu jednotku poľa (IFU) na JWST na sledovanie vplyvu jej gravitácie na plyn víriaci okolo nej a zároveň mapovať rozloženie rôznych prvkov v plyne. Preto použili pozorovania IFU a zmapovali pohyby plynného vodíka obklopujúceho čiernu dieru. 

Graf rýchlosti rotácie ako funkcie vzdialenosti od stredu ukázal, že plyn sa pohybuje podľa Keplerovho systému, čo znamená, že väčšina hmoty Little Red Dot QSO1 je sústredená v čiernej diere v strede. Ak by bola hmotnosť rozložená, plyn by neobiehal okolo centrálneho bodu dokonalým Keplerovským spôsobom rovnakým spôsobom, ako planéty obiehajú okolo Slnka v slnečnej sústave. 

Keďže Keplerovský pohyb sa riadi zákonmi gravitácie, merania rýchlosti plynu umožnili výskumníkom priamo vypočítať hmotnosť čiernej diery. Išlo o prvé priame meranie hmotnosti čiernej diery v ranom vesmíre. Zistilo sa, že čierna diera QSO1 má hmotnosť približne 50 miliónov Slnka. Táto čierna diera má tiež dve tretiny celkovej hmotnosti QSO1. To je veľmi nezvyčajné, pretože supermasívne čierne diery v blízkych galaxiách vo všeobecnosti tvoria len malý zlomok celkovej hmotnosti hostiteľskej galaxie.

Analýza máp zloženia IFU ďalej ukázala, že plyn v QSO1 je takmer výlučne z vodíka a hélia. Galaxia bohatá na hviezdy a hviezdne trosky by mala obsahovať ťažšie prvky ako kyslík, ale QSO1 má extrémne nízku metalicitu, menej ako 0.5 % metalicity Slnka, čo naznačuje, že QSO1 má veľmi nedotknuté galaktické prostredie.

Masívna hmotnosť QSO1 v porovnaní s jej hostiteľskou galaxiou naznačuje, že nemusela vzniknúť postupným zlúčením a dopĺňaním menších čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou. Čierna diera v galaxii Little Red Dot QSO1 zrejme predchádza procesu hviezdnej evolúcie. Mohla sa vyvinúť z ťažkého semena, ktoré vzniklo v prvej sekunde Veľkého tresku (prvotná čierna diera) alebo o niečo neskôr kolapsom obrovského oblaku plynu (čierna diera s priamym kolapsom) a môže byť v raných štádiách budovania galaxie okolo seba. V súčasnosti nie je možné povedať, či je supermasívna čierna diera v galaxii Little Red Dot QSO1 prvotná čierna diera (PBH) alebo čierna diera s priamym kolapsom (DCBH); existujú však dôkazy o nehviezdnej formácii čiernych dier v ranom vesmíre.

***

Referencie: 

1. Maiolino R., et al 2026. Čierna diera v takmer nedotknutej galaxii 700 Myr rokov po veľkom tresku. Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti, zväzok 548, číslo 1, máj 2026, staf2109. Publikované 06. apríla 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. a kol. Priame meranie hmotnosti čiernej diery v malej červenej bodke pri vysokom červenom posune. Nature 653, 1017–1021 (2026). Publikované 27. mája 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Webb z NASA odhaľuje čiernu dieru, ktorá vznikla pred jej galaxiou. Zverejnené 27. mája 2026. Dostupné na https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Súvisiace články 

Vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST): Prvé vesmírne observatórium venované štúdiu raného vesmíru (6 November 2021) 

Štúdia raného vesmíru: Experiment REACH na detekciu nepolapiteľnej 21 cm čiary z kozmického vodíka(3 August 2022) 

Hnedí trpaslíci (BD): Teleskop Jamesa Webba identifikuje najmenší objekt vytvorený spôsobom podobným hviezde (5 január 2024) 

Najstaršia čierna diera z raného vesmíru spochybňuje model tvorby čiernych dier (24 január 2024) 

Skorý vesmír: Najvzdialenejšia galaxia „JADES-GS-z14-0“ spochybňuje modely formovania galaxií (12 August 2024) 

Paradox hviezd bohatých na kovy v ranom vesmíre (27 September 2024)

***