Een zwart gat dat niet is ontstaan ​​door de ineenstorting van een ster 

Het zwarte gat in de Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, waargenomen door de JWST in het vroege heelal (ongeveer 700 miljoen jaar na de oerknal), is een supermassief zwart gat dat tot zijn huidige omvang is gegroeid zonder dat een veel groter sterrenstelsel het van materie voorzag. Volgens het standaardmodel van stellaire evolutie ontstaan ​​zwarte gaten door de dood van grotere sterren aan het einde van hun levenscyclus, wanneer ze geen brandstof meer hebben als gevolg van de ineenstorting van de stellaire kern. Deze zwarte gaten groeien in omvang door materie uit een veel groter sterrenstelsel op te nemen. Het zwarte gat van Little Red Dot QSO1 past niet in dit model en is uniek. Het is direct gevormd zonder de standaard stellaire evolutie, dat wil zeggen dat het geen overblijfsel is van een sterrenstelsel. van de kernimplosie van een grote, stervende ster. In plaats daarvan is het ofwel een direct-instortingszwart gat (DCBH) of een primordiaal zwart gat (PBH). Zwarte gaten die niet ontstaan ​​zijn door stellaire ineenstorting werden eerder al theoretisch voorspeld. Dit is bewijs voor een zwart gat dat is gevormd via een proces dat verder gaat dan de standaardprocessen. stellaire evolutie.  

Hoe ontstaat een zwart gat? Volgens het standaardmodel van stellaire evolutie zijn zwarte gaten het eindproduct van de evolutie van massieve sterren. Sterren ondergaan veranderingen in de loop van de tijd. 

Het leven van een ster begint in grote interstellaire gas- en stofwolken in de Melkweg, waar gassen samenklonteren door lage temperaturen en hoge dichtheid. Deze klonten verzamelen geleidelijk steeds meer materie en groeien. Op een gegeven moment storten de klonten in door de toenemende zwaartekracht die naar binnen trekt. De wrijving tijdens de ineenstorting verhit de materie en er ontstaat een jonge ster. Dit is het protosterstadium in de levenscyclus van een ster. De zwaartekrachtsineenstorting gaat verder, wat leidt tot een geleidelijke toename van de temperatuur en druk in de kern van de protoster. Uiteindelijk worden de temperatuur en druk hoog genoeg om waterstofkernen te laten fuseren. Kernfusie geeft een enorme hoeveelheid energie vrij, waardoor de materie voldoende verhit wordt om verdere ineenstorting onder invloed van de zwaartekracht te voorkomen. Dit is het 'hoofdreeksstadium' van de ster. Waterstof is de belangrijkste brandstof. 

Wanneer de brandstof opraakt, stopt de kernfusie en is er geen energie meer om de materie te verhitten en zo de naar binnen gerichte zwaartekracht te compenseren. De kern stort in en laat een compact restant achter. Dit is het einde van de ster. De dode ster, of het compacte restant, is ofwel een witte dwerg, ofwel een neutronenster, ofwel een zwart gat Afhankelijk van de massa van de oorspronkelijke ster. Sterren zwaarder dan 20 zonsmassa's (>20 M⦿) worden zwarte gaten aan het einde van de stellaire evolutie, wanneer de brandstof op is. Dit is de standaardprocedure: eerst worden sterren en sterrenstelsels gevormd, en later, in de eindfase van de stellaire evolutie, ontstaan ​​zwarte gaten. De massa van dergelijke zwarte gaten is veel kleiner dan de totale massa van het sterrenstelsel. 

Niet-stellaire vorming van zwarte gaten

Kunnen zwarte gaten op andere manieren ontstaan ​​dan door de ineenstorting van een sterrenkern? Er zijn twee theoretische vormingsprocessen voorgesteld die niet door sterren worden veroorzaakt. 

In het vroege heelal kan een grote, oeroude gaswolk direct instorten tot een zwart gat, waarbij de normale stervorming en evolutie worden omzeild. Dit geeft aanleiding tot wat we Direct Collapse Black Holes (DCBH's) noemen. De andere hypothetische zwarte gaten die direct ontstaan ​​zonder tussenkomst van de standaard stellaire evolutie, zijn primordiale zwarte gaten (PBH's). PBH's zijn overblijfselen van de oerknal, gevormd in de extreme dichtheidsfluctuaties van het zeer vroege heelal, kort na de oerknal. 

Het ontstaan ​​van zwarte gaten via 'niet-stellaire' kanalen is slechts een theoretische mogelijkheid en dus hypothetisch. Maar daar kwam snel verandering in met de lancering van de JWST in december 2021, een infrarood ruimteobservatorium dat is gewijd aan de studie van het vroege heelal.

De James Webb-ruimtetelescoop (JWST) zorgt voor een revolutie in het onderzoek naar het vroege heelal. 

De JWST heeft verschillende waarnemingen gedaan die onze kennis van het vroege heelal op de proef stellen. Zo werd de JADES-GS-z14-0-sterrenstelsel waargenomen met een roodverschuiving van 14.32, waarmee het het verst verwijderde bekende sterrenstelsel is. Dit sterrenstelsel ontstond in het vroege heelal, ongeveer 290 miljoen jaar na de oerknal, en toch is het een groot, massief en zeer lichtsterk sterrenstelsel. Het bleek ook metaalrijk te zijn, wat betekent dat generaties massieve sterren hun levenscyclus, van geboorte tot supernova-explosie, al ongeveer 290 miljoen jaar geleden in het vroege heelal hadden voltooid. Evenzo werd in het vroege heelal-sterrenstelsel GS-NDG-9422, dat ongeveer een miljard jaar na de oerknal dateert, een complexe chemische samenstelling gevonden zonder Population III-sterren. Volgens de huidige inzichten zouden de eerste generatie sterren in het vroege heelal Population III-sterren moeten zijn met een metaalgehalte van nul. (In de astronomie wordt elk element dat zwaarder is dan helium als metaal beschouwd. Chemische niet-metalen zoals zuurstof, stikstof, enz. zijn metalen in een kosmologische context. Sterren worden in elke generatie na een supernova-explosie verrijkt met metalen.) 

De JWST heeft ook supermassieve zwarte gaten in het vroege heelal waargenomen. Eén zo'n zwart gat dateert van ongeveer 700 miljoen jaar na de oerknal en had een massa van enkele miljoenen keren die van de zon. Het begon allemaal met de waarneming van Little Red Dots (LRD's) door de JWST, die werden opgemerkt in de eerste data-release van de JWST in 2022. Deze compacte, roodkleurige objecten hadden V-vormige spectra en vertoonden emissie van waterstofgas met hoge snelheid. 

De kleine rode stip QSO1 (of Abell2744-QSO1) 

QSO1 (of Abell2744-QSO1) is een prototypische kleine rode stip met een doorsnede van ongeveer 1,300 lichtjaar op een afstand van meer dan 13 miljard lichtjaar. Het bestond in het vroege heelal, slechts 700 miljoen jaar na de oerknal. Het wordt door zwaartekrachtslenswerking afgebogen door de sterrenhoop Abell 2744 (de cluster van Pandora), waardoor het zowel vergroot als drievoudig wordt afgebeeld en op drie verschillende locaties aan de hemel verschijnt. Hierdoor is QSO1 gemakkelijker te bestuderen dan de meeste andere kleine rode stippen. 

Gedetailleerd onderzoek naar dit kleine rode stipje (LRD) heeft onderzoekers doen concluderen dat sommige supermassieve zwarte gaten vanaf het begin enorm groot waren. Ze zijn ontstaan ​​zonder een fase van stellaire ineenstorting en zonder een significant massievere gaststelsel om ze te voeden. 

QSO staat voor Quasi-Stellar Object (ook wel quasar genoemd). 

Uit eerste onderzoeken bleek dat QSO1 meer is dan een wolk van gloeiend waterstof- en heliumgas die rond een supermassief zwart gat cirkelt met een massa van ongeveer 40 miljoen keer die van de zon. Er bestond echter onzekerheid over de vraag of het werkelijk zo massief was. Dit kwam doordat alle massametingen van zwarte gaten in het vroege heelal tot nu toe indirect waren, gebaseerd op aannames afgeleid van wat we weten over zwarte gaten in het lokale heelal. We wisten niet of die aannames ook daadwerkelijk van toepassing waren op het vroege heelal. 

De onderzoekers beseften dat als het zwarte gat van QSO1 werkelijk zo massief is, ze de Integral Field Unit (IFU) van de JWST zouden moeten kunnen gebruiken om de effecten van de zwaartekracht op het gas eromheen te volgen en tegelijkertijd de verspreiding van verschillende elementen in het gas in kaart te brengen. Daarom gebruikten ze de IFU-waarnemingen om de bewegingen van waterstofgas rond het zwarte gat in kaart te brengen. 

De grafiek van de rotatiesnelheid als functie van de afstand tot het centrum onthulde dat het gas een Keplerische beweging vertoonde, wat betekent dat het grootste deel van de massa van de Little Red Dot QSO1 geconcentreerd is in het zwarte gat in het centrum. Als de massa verdeeld zou zijn, zou het gas niet op de perfecte Keplerische manier rond een centraal punt draaien, zoals planeten rond de zon in ons zonnestelsel draaien. 

Aangezien Keplerische beweging wordt beheerst door de wetten van de zwaartekracht, stelden de metingen van de gassnelheid onderzoekers in staat om de massa van het zwarte gat rechtstreeks te berekenen. Dit was de eerste directe meting van de massa van een zwart gat in het vroege heelal. Er werd vastgesteld dat het zwarte gat van QSO1 ongeveer 50 miljoen zonsmassa's bedraagt. Dit zwarte gat vertegenwoordigt bovendien tweederde van de totale massa van QSO1. Dit is zeer ongebruikelijk, omdat supermassieve zwarte gaten in nabije sterrenstelsels doorgaans slechts een klein deel van de totale massa van het gaststelsel uitmaken.

Verder bleek uit analyse van de IFU-samenstellingskaarten dat het gas in QSO1 vrijwel volledig uit waterstof en helium bestaat. Een sterrenstelsel rijk aan sterren en stellaire resten zou zwaardere elementen zoals zuurstof moeten bevatten, maar QSO1 heeft een extreem lage metalliciteit, minder dan 0.5% van die van de zon, wat erop wijst dat QSO1 een zeer ongerepte galactische omgeving heeft.

De enorme massa van QSO1 ten opzichte van zijn gaststelsel suggereert dat het niet gevormd kan zijn door een geleidelijke samensmelting en voeding van kleinere zwarte gaten met stellaire massa. Het zwarte gat van QSO1, de Kleine Rode Stip, lijkt ouder te zijn dan het proces van stellaire evolutie. Het zou kunnen zijn ontstaan ​​uit een zware kiem die zich binnen de eerste seconde van de oerknal vormde (primordiaal zwart gat) of iets later uit de ineenstorting van een gigantische gaswolk (zwart gat ontstaan ​​door directe ineenstorting) en bevindt zich mogelijk in de beginfase van de vorming van een sterrenstelsel eromheen. Het is momenteel niet mogelijk om te zeggen of het supermassieve zwarte gat van QSO1 een primordiaal zwart gat (PBH) of een zwart gat ontstaan ​​door directe ineenstorting (DCBH) is; er zijn echter aanwijzingen voor niet-stellaire vorming van zwarte gaten in het vroege heelal.

***

Referenties: 

1. Maiolino R., c.s. 2026. Een zwart gat in een bijna ongerept sterrenstelsel 700 miljoen jaar na de oerknal. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 548, Issue 1, mei 2026, staf2109. Gepubliceerd op 06 april 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. et al. Een directe meting van de massa van een zwart gat in een kleine rode stip op hoge roodverschuiving. Nature 653, 1017–1021 (2026). Gepubliceerd op 27 mei 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASA's Webb onthult zwart gat dat zich vormde vóór zijn sterrenstelsel. Geplaatst op 27 mei 2026. Beschikbaar op https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Gerelateerde artikelen 

James Webb Space Telescope (JWST): het eerste ruimteobservatorium gewijd aan de studie van het vroege heelal (6 november 2021) 

Studie van het vroege heelal: REACH-experiment om de ongrijpbare lijn van 21 cm van kosmische waterstof te detecteren(3 Augustus 2022) 

Brown Dwarfs (BDs): James Webb-telescoop identificeert het kleinste object dat op een sterachtige manier is gevormd (5 januari 2024) 

Het oudste zwarte gat uit het vroege heelal daagt het model van de vorming van zwarte gaten uit (24 januari 2024) 

Vroeg heelal: het meest verre sterrenstelsel ‘JADES-GS-z14-0’ daagt sterrenstelselformatiemodellen uit (12 Augustus 2024) 

Paradox van metaalrijke sterren in het vroege heelal (27 september 2024)

***