James Webb ontdekt een „zwarte-gatster“ ter grootte van het zonnestelsel

Astronomen hebben mogelijk een geheel nieuw type astrofysisch object ontdekt: een „zwarte-gat-ster“ die een massief zwart gat combineert met een enorme gasomhulling die lijkt op die van een ster. Het object, genaamd MoM-BH*-1, werd waargenomen door de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) van de NASA in het zeer vroege heelal, slechts enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal.

Het object verschijnt als een uiterst heldere rode stip, ongeveer zo groot als ons zonnestelsel. Toch wordt de energieafgifte ervan geschat op 100 miljard keer die van een gewone ster, waardoor conventionele kernfusie als energiebron onmogelijk is. In plaats daarvan denken de onderzoekers dat het object wordt aangedreven door een centraal zwart gat, omgeven door een enorme, dichte wolk van waterstofgas.

„Wij denken dat er een centraal zwart gat is dat 100.000 keer zo zwaar is als de zon”, aldus hoofdauteur Rohan Naidu, een NASA Hubble Fellow en Pappalardo Fellow aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van het MIT. Het zwarte gat zou omgeven zijn door een uitgestrekte gaswolk ter grootte van ongeveer het zonnestelsel, waardoor het object zijn sterachtige uiterlijk krijgt.

De ontdekking werd gedaan in het kader van het Mirage- of Miracle (MoM)-onderzoek, dat JWST-waarnemingen doorzocht naar enkele van de vroegste sterrenstelsels in het heelal. De onderzoekers merkten op dat één bijzonder heldere bron er ongebruikelijk uitzag vanwege zijn intens rode kleur.

Van rode objecten op beelden van de diepe ruimte wordt vaak aangenomen dat ze omgeven zijn door stof, wat de schijnbare kleur van hun licht kan beïnvloeden. MoM-BH*-1 vertoonde echter een aantal andere ongebruikelijke kenmerken. Het licht vertoonde een uitzonderlijk diepe Balmer-breuk, een spectraal kenmerk dat verband houdt met dicht gas dat fotonen absorbeert in stellaire atmosferen. Het object vertoonde bovendien vrijwel geen sporen van elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium.

De onderzoekers voerden vervolgens simulaties uit van verschillende mogelijke configuraties om te achterhalen wat het kenmerkende spectrum en de helderheid van het object zou kunnen veroorzaken. Zij ontdekten dat een uiterst dichte omhulling van waterstof de ongebruikelijke spectrale kenmerken zou kunnen verklaren, maar niet de buitengewone hoeveelheid energie die wordt uitgestraald.

Een zwart gat bleek het ontbrekende stukje van de puzzel te zijn. Door een actief accreterend zwart gat aan hun modellen toe te voegen en de massa en andere parameters ervan te variëren, vonden de onderzoekers een configuratie die nauw aansloot bij de waarnemingen van de JWST. Hun simulaties wijzen erop dat MoM-BH*-1 een zwart gat bevat dat ongeveer 100.000 keer zo zwaar is als de Zon, omgeven door een dichte waterstofomhulling ter grootte van het zonnestelsel.

Het voorgestelde object verschilt fundamenteel van zowel een gewone ster als een conventioneel zwart gat. In een normale ster levert kernfusie de energie, terwijl het omringende gas het sterrenlichaam vormt. In een zwarte-gat-ster fungeert het accreterende zwarte gat als energiebron, terwijl het omringende dichte gas een sterachtige buitenste omhulling vormt. De bijbehorende illustratie in het MIT-materiaal zet de drie structuren tegenover elkaar en laat zien dat de omhulling van de zwarte-gat-ster zich uitstrekt tot ongeveer de schaal van het zonnestelsel.

De ontdekking zou ook kunnen helpen bij het verklaren van een van de grootste mysteries die door de JWST aan het licht zijn gebracht: de talrijke „kleine rode stipjes“ die overal in waarnemingen van het vroege heelal opduiken. Deze objecten komen uiterst vaak voor op JWST-beelden, maar lijken grotendeels uit het moderne heelal te zijn verdwenen.

De onderzoekers vermoeden dat veel van deze kleine rode stipjes in feite zwarte-gatsterren zouden kunnen zijn die ingebed zijn in vroege sterrenstelsels. MoM-BH*-1 lijkt ongebruikelijk omdat het zo helder is dat het zijn gaststerrenstelsel feitelijk overstraalt, waardoor astronomen kunnen waarnemen wat het team omschrijft als vrijwel puur licht van een zwarte-gatster.

De studie, getiteld „A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn”, is gepubliceerd in Nature. Indien deze interpretatie door verdere waarnemingen wordt bevestigd, zouden zwarte-gat-sterren een nieuwe verklaring kunnen bieden voor de manier waarop massieve zwarte gaten in het vroege heelal zijn ontstaan en zich hebben ontwikkeld.