Crna rupa koja nije nastala kolapsom zvijezde 

Crna rupa u galaksiji Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1 koju je JWST uočio u ranom svemiru (oko 700 milijuna godina nakon Velikog praska) je supermasivna crna rupa koja je narasla do svoje trenutne veličine bez puno veće galaksije koja bi je hranila. Prema standardnom modelu zvjezdane evolucije, crne rupe nastaju smrću većih zvijezda na kraju njihovog životnog ciklusa kada im ponestane goriva kao rezultat kolapsa zvjezdane jezgre. Ove crne rupe rastu hraneći se materijom iz puno veće galaksije. Crna rupa Little Red Dot QSO1 ne uklapa se u ovaj okvir i nova je. Nastaje izravno bez standardne zvjezdane evolucije, tj. nije ostatak. kolapsa jezgre velike umiruće zvijezde. Umjesto toga, radi se ili o crnoj rupi izravnog kolapsa (DCBH) ili o primordijalnoj crnoj rupi (PBH). Crne rupe koje nisu nastale zvjezdanim kolapsom teoretizirane su ranije. To je dokaz crne rupe koja se formira procesom izvan standardnog zvjezdana evolucija.  

Kako nastaje crna rupa? Prema standardnom modelu zvjezdane evolucije, crne rupe su završni produkti evolucije masivnih zvijezda. Zvijezde se mijenjaju s protokom vremena. 

Život zvijezde započinje u velikim međuzvjezdanim oblacima plina i prašine u galaksiji skupljanjem plinova zbog niske temperature u džepove visoke gustoće. Grude postupno skupljaju sve više i više materije i rastu. U nekom trenutku, grude se urušavaju zbog povećane gravitacijske sile prema unutra. Trenje tijekom urušavanja zagrijava materiju i rađa se zvijezda-beba. Ovo je faza protozvijezde u životnom ciklusu zvijezde. Gravitacijski kolaps se nastavlja dalje što dovodi do postupnog povećanja temperature i tlaka u jezgri protozvijezde. S vremenom temperatura i tlak postaju dovoljno visoki da omoguće spajanje jezgri vodika. Nuklearna fuzija oslobađa ogromnu količinu energije koja dovoljno zagrijava materiju da spriječi daljnji kolaps pod utjecajem gravitacije. Ovo je 'faza glavnog niza' zvijezde. Vodik je glavno gorivo. 

Kada nestane goriva, nuklearna fuzija se zaustavlja i nema energije za zagrijavanje materijala kako bi se uravnotežila unutarnja sila gravitacije, a jezgra se urušava, ostavljajući za sobom kompaktni ostatak. Ovo je kraj zvijezde. Mrtva zvijezda ili kompaktni ostatak je ili bijeli patuljak ili neutronska zvijezda, ili Crna rupa ovisno o masi izvorne zvijezde. Zvijezde teže od 20 solarnih masa (>20 M⦿) postaju crne rupe na kraju zvjezdane evolucije kada ponestane goriva. To je standardni način - zvijezde i galaksije nastaju prvo, a crne rupe kasnije kao završna faza zvjezdane evolucije. Masa takvih crnih rupa mnogo je manja od ukupne mase galaksije. 

Nezvjezdano formiranje crnih rupa

Mogu li crne rupe nastati na druge načine osim kolapsom zvjezdane jezgre? Teoretizirana su dva "nezvjezdana" kanala formiranja. 

U ranom svemiru, veliki primordijalni oblak plina može se izravno urušiti u crnu rupu, zaobilazeći normalno stvaranje i evoluciju zvijezda, što dovodi do onoga što nazivamo crnim rupama izravnog kolapsa (DCBH). Druge hipotetske crne rupe nastale izravno bez sudjelovanja standardne zvjezdane evolucije su primordijalne crne rupe (PBH). PBH su ostaci Velikog praska nastale u ekstremnim fluktuacijama gustoće vrlo ranog svemira ubrzo nakon Velikog praska. 

Crne rupe nastale kroz "nezvjezdane" kanale samo su teoretizirane, kao takve su hipotetske. No, stvari su se počele brzo mijenjati lansiranjem JWST-a u prosincu 2021., infracrvenog svemirskog opservatorija posvećenog proučavanju ranog svemira.

Svemirski teleskop James Webb (JWST) revolucionira proučavanje ranog svemira 

JWST je napravio nekoliko opažanja koja dovode u pitanje naše razumijevanje ranog svemira. Opažanje galaksije JADES-GS-z14-0 pri crvenom pomaku od 14.32 čini je najudaljenijom poznatom galaksijom. Ova galaksija je nastala u ranom svemiru oko 290 milijuna godina nakon Velikog praska, no to je velika, masivna i vrlo sjajna galaksija. Također je utvrđeno da je bogata metalima, što znači da bi generacije masivnih zvijezda već završile svoj životni put od rođenja do eksplozije supernove oko 290 milijuna godina u ranom svemiru. Slično tome, utvrđeno je da je galaksija ranog svemira GS-NDG-9422, koja datira oko milijardu godina nakon Velikog praska, kemijski složena i bez zvijezda Populacije III. Prema trenutnom razumijevanju, prva generacija zvijezda ranog svemira trebale bi biti zvijezde Populacije III s nultom metalnošću. (U astronomiji se svaki element teži od helija smatra metalom. Kemijski nemetali poput kisika, dušika itd. su metali u kozmološkom kontekstu. Zvijezde se obogaćuju metalom u svakoj generaciji nakon događaja supernove). 

JWST je također promatrao supermasivne crne rupe u ranom svemiru. Jedna takva crna rupa datira od oko 700 milijuna godina nakon Velikog praska i imala je masu od nekoliko milijuna puta veću od Sunca. Sve je počelo s JWST-ovim promatranjem malih crvenih točaka (LRD), koje su uočene u prvom JWST-ovom priopćenju podataka 2022. godine. Ovi crveni kompaktni objekti imali su spektre u obliku slova V i pokazivali su emisiju iz plinovitog vodika velike brzine. 

Mala crvena točka QSO1 (ili Abell2744-QSO1) 

QSO1 (ili Abell2744-QSO1) je prototip Male crvene točke promjera oko 1,300 svjetlosnih godina na udaljenosti većoj od 13 milijardi svjetlosnih godina. Postojala je u ranom svemiru samo 700 milijuna godina nakon Velikog praska. Gravitacijsko je leća galaktičkog skupa Abell 2744 (Pandorin skup), stoga je i uvećana i trostruko snimljena, pojavljujući se na tri različite lokacije na nebu. Kao rezultat toga, QSO1 je lakše proučavati od većine drugih Malih crvenih točaka. 

Detaljno proučavanje ove Male crvene točke (LRD) dovelo je istraživače do zaključka da su neke supermasivne crne rupe bile ogromne od samog početka. Nastale su bez faze zvjezdanog kolapsa i bez znatno masivnije galaksije domaćina koja bi ih hranila. 

QSO je kratica za kvazi-zvjezdani objekt (obično nazivan kvazar). 

Početne studije otkrile su da je QSO1 više od oblaka užarenog vodika i helija koji kruži oko supermasivne crne rupe mase oko 40 milijuna puta veće od Sunca. Međutim, postojala je nesigurnost oko toga je li doista toliko masivan. To je bilo zato što su do sada sva mjerenja mase crnih rupa u ranom svemiru bila neizravna, temeljena na pretpostavkama iz onoga što znamo o njima u lokalnom svemiru. Nismo znali odnose li se te pretpostavke doista na rani svemir. 

Istraživači su prepoznali da ako je crna rupa QSO1 zaista toliko masivna, trebali bi moći koristiti integralnu jedinicu polja (IFU) na JWST-u kako bi pratili učinke njezine gravitacije na plin koji se vrti oko nje, a istovremeno mapirali raspodjelu različitih elemenata u plinu. Stoga su koristili IFU opažanja i mapirali kretanje vodikovog plina koji okružuje crnu rupu. 

Grafikon brzine rotacije kao funkcije udaljenosti od središta otkrio je da plin ima Keplerovo gibanje, što znači da je većina mase Little Red Dot QSO1 koncentrirana u crnoj rupi u središtu. Da je masa bila raspoređena, plin ne bi kružio oko središnje točke na savršen Keplerov način na isti način na koji planeti kruže oko Sunca u Sunčevom sustavu. 

S obzirom na to da je Keplerovo gibanje regulirano zakonima gravitacije, mjerenja brzine plina omogućila su istraživačima da izravno izračunaju masu crne rupe. Ovo je bilo prvo izravno mjerenje mase crne rupe u ranom svemiru. Utvrđeno je da crna rupa QSO1 ima oko 50 milijuna solarnih masa. Također, ova crna rupa ima dvije trećine ukupne mase QSO1. To je vrlo neuobičajeno jer supermasivne crne rupe u obližnjim galaksijama općenito čine samo mali dio ukupne mase galaksije domaćina.

Nadalje, analiza karata sastava IFU-a pokazala je da je plin u cijelom QSO1 gotovo u potpunosti vodik i helij. Galaksija bogata zvijezdama i zvjezdanim krhotinama trebala bi imati teže elemente poput kisika, ali QSO1 ima izuzetno nisku metaličnost, manju od 0.5% Sunca, što implicira da QSO1 ima vrlo netaknuto galaktičko okruženje.

Masivna masa QSO1 u odnosu na galaksiju domaćina sugerira da nije nastala postupnim spajanjem i hranjenjem manjih crnih rupa zvjezdane mase. Očito je da crna rupa Little Red Dot QSO1 prethodi procesu zvjezdane evolucije. Mogla se razviti iz teškog sjemena koje je nastalo unutar prve sekunde Velikog praska (primordijalna crna rupa) ili nešto kasnije od kolapsa divovskog oblaka plina (crna rupa izravnog kolapsa) i možda je u ranim fazama izgradnje galaksije oko nje. Trenutno nije moguće reći je li supermasivna crna rupa Little Red Dot QSO1 primordijalna crna rupa (PBH) ili crna rupa izravnog kolapsa (DCBH); međutim, postoje dokazi o nezvjezdanom formiranju crnih rupa u ranom svemiru.

***

Reference: 

1. Maiolino R., dr. 2026. Crna rupa u gotovo netaknutoj galaksiji 700 milijuna godina nakon Velikog praska. Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva, svezak 548, broj 1, svibanj 2026., staf2109. Objavljeno 06. travnja 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. i dr. Izravno mjerenje mase crne rupe u maloj crvenoj točki pri visokom crvenom pomaku. Nature 653, 1017–1021 (2026). Objavljeno 27. svibnja 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASA-in Webb otkriva crnu rupu koja je nastala prije njezine galaksije. Objavljeno 27. svibnja 2026. Dostupno na https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Vezani članci 

Svemirski teleskop James Webb (JWST): Prvi svemirski opservatorij posvećen proučavanju ranog svemira (6 studeni 2021) 

Proučavanje ranog svemira: REACH eksperiment za otkrivanje neuhvatljive linije od 21 cm od kozmičkog vodika(3 kolovoza 2022) 

Smeđi patuljci (BD): teleskop James Webb identificira najmanji objekt formiran na način nalik zvijezdi (5 siječanj 2024) 

Najstarija crna rupa iz ranog svemira dovodi u pitanje model nastanka crne rupe (24 siječanj 2024) 

Rani svemir: Najudaljenija galaksija “JADES-GS-z14-0″ izaziva modele nastanka galaksije (12 kolovoza 2024) 

Paradoks zvijezda bogatih metalima u ranom svemiru (27 rujan 2024)

***