James Webb Uzay Teleskobu, evrenin erken dönemlerinde daha önce gözlemlenmemiş özelliklere sahip sıra dışı bir gök cismini ortaya çıkardı. MoM-BH*-1 adı verilen kaynak dışarıdan devasa bir yıldızı andırıyor ancak enerjisini nükleer füzyondan değil, merkezindeki aktif kara delikten alıyor.
Araştırmacılar bu yeni yapıyı “black hole star”, yani “kara delik yıldızı” olarak adlandırıyor. Nature’da yayımlanan çalışma, cismin Büyük Patlama’dan yalnızca yaklaşık 660 milyon yıl sonraki evrende bulunduğunu gösteriyor.
MoM-BH*-1, Güneş Sistemi büyüklüğünde yoğun bir gaz zarfına sahip
“Kara delik yıldızı” ifadesi, cismin gerçekten bir yıldız ile kara deliğin fiziksel birleşiminden oluştuğu anlamına gelmiyor. MoM-BH*-1’in merkezinde madde toplayarak enerji üreten bir kara delik bulunuyor.
Bu kara deliği çevreleyen son derece yoğun hidrojen gazı ise yaklaşık Güneş Sistemi ölçeğine kadar uzanıyor ve dışarıdan bakıldığında bir yıldız atmosferine benzer şekilde ışık yayıyor. Normal yıldızlarda merkezi enerji kaynağı nükleer füzyonken burada aynı rolü kara deliğe düşen madde üstleniyor.
Cisim, “Mirage or Miracle” isimli James Webb gözlem programında keşfedildi ve programın kısaltmasından hareketle MoM-BH*-1 adı verildi. Araştırmacılar başlangıçta erken evrendeki uzak galaksileri incelerken James Webb’in NIRCam görüntülerinde son derece kırmızı, parlak ve noktasal görünen bu kaynağı fark etti.
Daha sonraki NIRSpec spektroskopik gözlemleri cismin kırmızıya kaymasını z=7,7569 olarak belirledi. Bu değer, bugün gördüğümüz ışığın evren yalnızca yaklaşık 660 milyon yaşındayken yayıldığını gösteriyor.
MoM-BH*-1’in en sıra dışı özelliklerinden biri parlaklığı. Cisim bir yıldızın üretebileceği fiziksel enerji sınırının yaklaşık 100 milyar kat üzerinde enerji yayıyor.
Bu nedenle gözlenen enerjinin yıldızlardaki nükleer füzyon süreçleriyle açıklanması mümkün değil. Kara deliklerin çevrelerindeki maddeyi yutarken oluşturdukları akresyon süreçleri ise bu seviyelerde enerji üretebiliyor.
James Webb’in tayf ölçümlerinde başka bir önemli ipucu daha bulundu. MoM-BH*-1’in ışığı belirli bir dalga boyunun altında çok keskin biçimde azalıyor. Balmer kırılması olarak bilinen bu özellik genellikle yıldız atmosferlerindeki yoğun hidrojenle ilişkilendiriliyor.
MoM-BH*-1’de ölçülen Balmer kırılması ise benzer kırmızıya kaymalarda şimdiye kadar görülen en güçlü örneklerden biri. Ölçülen kırılma gücü 7,7 seviyesine ulaşırken normal, tozsuz bir yıldız popülasyonunda beklenen üst sınır yaklaşık 3 seviyesinde kalıyor. Tamamı güçlü Balmer kırılması üreten A tipi yıldızlardan oluşan sıra dışı bir popülasyonda bile değerin 5’in altında kalması bekleniyor.
Cismin Hβ ve Hγ hidrojen çizgilerinde aynı anda görülen güçlü soğurma işaretleri de çevresindeki gazın olağanüstü yoğun olduğunu gösteriyor.
Modellemede hidrojen yoğunluğunun santimetreküp başına yaklaşık 10¹¹ parçacığa ulaştığı, gaz sütun yoğunluğunun ise 10²⁵,⁸ cm⁻² seviyesinde olduğu bir yapı gözlemlerle uyum sağladı. Gazın yaklaşık 500 km/s seviyesinde türbülanslı hareketlere sahip olması da tayfta görülen yapının yeniden oluşturulması için gerekli oldu.
Araştırma aynı zamanda cismin kırmızı renginin alışılmış açıklamasını da değiştiriyor. Uzak gök cisimlerinin kırmızı görünümü çoğu zaman çevrelerindeki kozmik tozun mavi ışığı emmesi ve saçmasıyla açıklanıyor.
MoM-BH*-1’in tayfı ise yoğun gazla çevrili, neredeyse tozsuz bir yapıyla daha iyi uyuşuyor. Kullanılan modellerde yalnızca çok düşük seviyede toz sönümlemesi gerekiyor.
Kara deliğin çevresindeki gaz zarfının yaklaşık 10 ila 100 astronomik birim ölçeğinde olduğu hesaplanıyor. Bir astronomik birim Dünya ile Güneş arasındaki ortalama mesafeye karşılık geliyor.
Merkezde üretilen ışık bu yoğun gazın içinden geçerken defalarca emiliyor, saçılıyor ve yeniden yayılıyor. Ortaya çıkan tayf bu nedenle bir taraftan geniş emisyon çizgileri gibi aktif kara delik özelliklerini, diğer taraftan Balmer kırılması ve kara cisim benzeri ışınım gibi yıldızlara özgü özellikleri aynı anda taşıyor.
MoM-BH*-1’in kendisini çevreleyen ev sahibi galaksi de oldukça sönük. Çalışmada galaksinin yıldız kütlesi için Güneş’in kütlesinin 10^8,5 katından düşük bir üst sınır hesaplandı.
Kara deliğin yaydığı ışık özellikle görünür ışığın erken evrendeki karşılığı olan dalga boylarında galaksiyi neredeyse tamamen bastırıyor. Bu nedenle James Webb görüntülerinde ağırlıklı olarak merkezdeki gazla örtülü kara delikten gelen ışık görülüyor.
Keşif, James Webb’in erken evrende sık sık görüntülediği ve “little red dots”, yani “küçük kırmızı noktalar” olarak adlandırılan cisimlerin ne olduğuna ilişkin tartışmayla da doğrudan bağlantılı.
Bu kompakt ve son derece kırmızı kaynakların bir bölümünde aktif kara delik belirtileri daha önce görülmüştü ancak yıldızlar, toz ve aktif galaktik çekirdeklerin gözlemlenen özellikleri nasıl oluşturduğu konusunda tek bir açıklama bulunmuyordu.
MoM-BH*-1, yoğun gaz zarfıyla çevrili bir kara deliğin tek başına bu özelliklerin önemli bir bölümünü üretebildiğini gösteren en temiz örneklerden birini sunuyor.
Araştırmacılar MoM-BH*-1’in yakınında aynı kırmızıya kaymada daha büyük bir galaksi de tespit etti. İki sistemin gökyüzündeki izdüşümsel uzaklığı yaklaşık 60 kiloparsek ve hesaplamalar yaklaşık 100 milyon yıl içinde birleşebileceklerini gösteriyor.
İki kaynağın ışıkları birlikte modellendiğinde ortaya çıkan spektral yapı, James Webb’in gözlemlediği tipik küçük kırmızı noktaların özelliklerine büyük ölçüde benziyor.
Keşif aynı zamanda erken evrendeki süper kütleli kara deliklerin nasıl bu kadar kısa sürede büyüdüğü sorununa yeni veri sağlıyor. Evren henüz 700-800 milyon yaşındayken yüz milyonlarca hatta milyarlarca Güneş kütlesine ulaşmış kara deliklerin varlığı uzun süredir biliniyor.
Standart büyüme modellerinde bu kadar büyük kütlelere ulaşmak için zaman oldukça sınırlı kalıyor. Yoğun gaz zarfının radyasyonu içeride tutarak kara deliğin Eddington sınırının üzerinde madde toplamasına izin verdiği modeller, çok hızlı büyümenin olası yollarından biri olarak inceleniyor. MoM-BH*-1’in gözlenen yapısı bu senaryolarla uyumlu özellikler taşıyor ancak oluşum süreci henüz kesinleşmiş değil.
MoM-BH*-1 üzerindeki çalışmalar devam edecek. James Webb’in beşinci gözlem döngüsünde bu kaynak ve benzer özellikler gösteren başka bir cisim için toplam yaklaşık 68 saatlik yeni gözlem programı ayrıldı.
Program kapsamında NIRCam, NIRSpec ve MIRI araçları kullanılacak. Yeni veriler gaz zarfının yapısının, merkezi kara deliğin kütlesinin ve bu tür cisimlerin küçük kırmızı noktalarla ilişkisinin daha ayrıntılı incelenmesini sağlayacak.
