Wielkie pytania o małe czerwone kropki. Najważniejsze odkrycie teleskopu Jamesa Webba

Cztery lata temu, w Boże Narodzenie 2021 r., oglądaliśmy start rakiety, która wyniosła w przestrzeń kosmiczną teleskop Jamesa Webba. Następca wysłużonego już teleskopu Hubble’a, jeden z najdoskonalszych stworzonych przez człowieka instrumentów, powstał, by przybliżyć nam okryte mgłą tajemnicy zapylone obszary gwiazdotwórcze, pozasłoneczne planety i wczesny wszechświat. 

Ponieważ światło podróżuje ze skończoną prędkością, odległe obiekty widzimy takimi, jakimi były kiedyś. Z pomocą teleskopu Webba możemy więc sięgnąć do czasów, gdy zapalały się pierwsze gwiazdy. Nic więc dziwnego, że w środowisku astronomów zawrzało, gdy zauważono nowego rodzaju obiekty. Poznanie ich natury może zmienić nasze rozumienie ewolucji galaktyk.

Wszechświat powstał w Wielkim Wybuchu i od tego czasu się rozszerza. Fale elektromagnetyczne przemierzające przestrzeń zwiększają swoją długość, co wpływa na ich własności – np. kolor docierającego do nas światła. Dlatego światło wyemitowane w młodym wszechświecie poczerwieniało w trakcie trwającej miliardy lat wędrówki. Teleskop Jamesa Webba, za pomocą którego chcemy podglądać bardzo odległe obiekty, musiał więc zostać przystosowany do obserwacji w podczerwieni.

Obserwacje w podczerwieni mają również inne zalety. Promieniowanie podczerwone łatwiej przenika przez kosmiczny pył, trochę jak żółte światła przeciwmgielne przenikają mgłę. W podczerwieni łatwiej obserwować pozasłoneczne planety, a nawet poszukiwać na nich życia, badając skład ich atmosfer. Światło centralnej gwiazdy nie przyćmiewa planet aż tak bardzo, jeśli spojrzymy na nie właśnie w podczerwieni.

Od czterech lat mamy więc w przestrzeni kosmicznej doskonały instrument obserwacyjny, który widzi wszechświat w podczerwieni, sięgając dużo dalej od swojego poprzednika. No i cóż, okazało się, że na naszych astronomicznych mapach pojawiło się wiele czerwonych kropek.

Niby to nic nowego, bo większość obserwowanych przez nas obiektów to różnokolorowe „kropki”, czyli źródła promieniowania, których rozciągłości przestrzennej nie potrafimy dostrzec. Jednak z interpretacją nowo odkrytych małych czerwonych kropek (ta nazwa bardzo przypadła naukowcom do gustu) astronomowie mają niemały kłopot.

Żeby wyjaśnić, skąd ten kłopot się bierze, należy trochę więcej powiedzieć o innych obiektach astronomicznych i próbach zrozumienia ich natury.

Wszechświat jest prawie pusty. Nawet w galaktykach gwiazdę można napotkać tylko co kilka lat świetlnych (przypomnijmy, że to jednostka odległości). Materia międzygwiazdowa (gaz, pył, promieniowanie) jest bardzo rozrzedzona. W skali ludzkiej gwiazda to gigantyczny obiekt, lecz w skali kosmosu to tylko drobne skupisko materii, które pod naporem miażdżącej grawitacji zapłonęło w procesach termojądrowych.

Obecnie wiemy, że prawie każdą gwiazdę okrążają planety i mniejsze kawałki kosmicznego śmiecia. Chociaż obserwacje astronomiczne potwierdziły istnienie planet pozasłonecznych dopiero trzydzieści lat temu, to pierwsze hipotezy dotyczące ich istnienia pojawiły się już setki lat temu. Skoro nie zajmujemy wyróżnionego miejsca w Układzie Słonecznym, to dlaczego odległe gwiazdy nie miałyby przypominać naszego Słońca z okrążającym je wianuszkiem planet?

Czy oprócz gwiazd i planet istnieje we wszechświecie coś istotnie od nich innego? Pomińmy tajemniczą ciemną materię i energię, bo obserwujemy je tylko pośrednio przez ich wpływ na to, co widać bezpośrednio. Astronomowie dostrzegli całe mnóstwo kosmicznych obiektów – rozmaitych kropek na niebie – których natura nie była oczywista w chwili dokonania obserwacyjnego odkrycia, co często odzwierciedlają ich historyczne nazwy.

Mamy więc mgławice (to akurat obiekty rozciągłe, a nie „kropki”), kwazary, blazary, gwiazdy neutronowe, pulsary, magnetary, różne rodzaje tzw. karłów... Widzimy też krótkotrwałe zjawiska astrofizyczne: krótkie i długie błyski gamma, supernowe, kilonowe...

Zadaniem astrofizyki jest zrozumienie zaobserwowanych zjawisk, czyli wytłumaczenie rzeczy nieznanych za pośrednictwem tego, o czym już wiemy, że istnieje. Współczesna nauka dysponuje w tym względzie uniwersalną metodą postępowania. 

Podobnie jak w świecie mikro zdecydowana większość nowych cząstek została wykryta w obliczeniach „na papierze” na wiele lat przed detekcją eksperymentalną, również w astronomii najpierw badamy teoretyczne konsekwencje naszych teorii, a później szukamy potwierdzenia obserwacyjnego.

To swego rodzaju paradoks: w erze precyzyjnej nauki niezwykle trudno zaobserwować coś istotnie nowego, czego nie znaliśmy już wcześniej. Np. ogólna teoria względności przewidziała istnienie czarnych dziur, a fizyka kwantowa implikowała istnienie małych, lecz niewyobrażalnie gęstych gwiazd neutronowych. Kilkadziesiąt lat później te przewidywania teoretyczne pozwoliły na wytłumaczenie niezwykłych astronomicznych obserwacji.

Niektóre „mgławice” okazały się odległymi, gigantycznymi, lecz zwykłymi skupiskami gwiazd (galaktykami). Dzisiaj wiemy, że w centrach większości galaktyk znajdują się wielkie czarne dziury. Jeśli galaktyczna czarna dziura pochłania gwałtownie materię, to w stosunkowo małym obszarze na zewnątrz czarnej dziury wyzwalane są olbrzymie ilości energii – powstaje astronomiczny obiekt zwany kwazarem.

Rotacja czarnej dziury i spadającej materii wyznacza w przestrzeni kosmicznej pewien kierunek, wzdłuż którego wyrzucane są z wielkimi prędkościami cząstki –  to tzw. dżety. Jeśli dżet kwazara zwrócony jest w naszą stronę, to kwazar wygląda nietypowo i mamy do czynienia z blazarem. To warte zapamiętania – obiekty, które znamy, mogą wyglądać odmiennie, jeśli są ustawione w przestrzeni względem nas w nietypowy sposób.

Jednak nie wszystko, co przewidziano na papierze, uzyskało pełne potwierdzenie obserwacyjne. Np. w latach 70. XX w. Kip Thorne i Anna Żytkow zauważyli (w swoim teoretycznym modelu), że gwiazda neutronowa mogłaby zostać wchłonięta do wnętrza puchnącej gwiazdy, z którą tworzyła wcześniej tzw. układ podwójny. Znanych jest kilka przypadków obserwacyjnych, które zdają się odpowiadać takiej konfiguracji, ale do dzisiaj nie mamy jednoznacznego potwierdzenia.

Oprócz przewidywań wynikających ze znanej i sprawdzonej fizyki (czarne dziury, gwiazdy neutronowe, obiekty typu Thorne-Żytkow...), istnieją spekulacje odwołujące się do zjawisk, których nie potrafimy w pełni opisać za pomocą fizycznych teorii. Np. nie wiemy, co dokładnie działo się w Wielkim Wybuchu, z którego zgodnie ze współczesną kosmologią 13,8 mld lat temu wyłonił się nasz wszechświat.

Można fantazjować, iż nieznane nam jeszcze prawa fizyki dopuszczają powstanie tzw. kosmicznych strun, topologicznych defektów czy nagich osobliwości. Jeśli materia może wykazywać specyficzne kwantowe właściwości na skalach astrofizycznych, co obecnie wydaje się bardzo wątpliwe, to we wszechświecie mogłyby istnieć tzw. tunele czasoprzestrzenne, które niezmiernie ułatwiłyby życie miłośnikom kosmicznych podróży.

Dużą nadzieję na odkrycie nowego rodzaju obiektów astronomicznych wiąże się z detektorami fal grawitacyjnych (powstających np. w zderzeniach czarnych dziur). Ta młoda dziedzina astronomii pozwala podglądnąć wszechświat w nowy sposób. Stąd naturalne oczekiwanie, iż zobaczymy coś, czego nie spodziewaliśmy się ujrzeć. Detektory fal grawitacyjnych nie zaspokoiły dotychczas tego oczekiwania – za to małe czerwone kropki, wykryte przez teleskop Jamesa Webba, rozpaliły naukową wyobraźnię.

Czym są zatem małe czerwone kropki i czy można do nich przypisać coś z naszego dotychczasowego astronomicznego inwentarza?

Zacznijmy od bardziej podstawowego pytania: co tak naprawdę widać? Dzięki teleskopowi Jamesa Webba w ciągu kilku lat astronomowie zidentyfikowali kilkaset małych czerwonych kropek. Ta nazwa zawiera w sobie pewne uproszczenie. Kolor takiej kropki nie jest określony tylko jedną liczbą.

Potrafimy przeprowadzić „bilans kolorów” i powiedzieć, ile promieniowania w zależności od długości fali od nich do nas dociera. Czerwień to tylko dominująca składowa mieszaniny kolorów. Podobnie, słuchając orkiestry, nie zawsze potrafimy dokładnie rozdzielić wysokość poszczególnych dźwięków, ale słyszymy, czy dominują niskie, czy wysokie tony.

Dźwięk orkiestry składa się z wielu pojedynczych dźwięków o dobrze określonej częstotliwości. Słuchacz dysponujący absolutnym słuchem, któremu udałoby się wydzielić dźwięk pojedynczych instrumentów, mógłby precyzyjnie określić wysokość tonów lub nawet konstrukcję akordów.

W tej muzyczno-astronomicznej analogii rolę orkiestry odgrywają pierwiastki chemiczne występujące w źródle promieniowania. Każdy z nich charakteryzuje się konkretnym zestawem dobrze określonych długości fal, w których wzbudzony świeci (lub wzbudzając się, pochłania promieniowanie). Są to tzw. linie widmowe i dla niektórych małych czerwonych kropek udało się je zarejestrować.

Obserwacje tego typu są bardzo cenne dla astronomów. Na ich podstawie możemy precyzyjnie oszacować efekt przesunięcia ku czerwieni, a tym samym określić odległość do małych czerwonych kropek. Większość z nich jest bardzo daleko od nas: obserwacje obejmują okres od kilkuset milionów do kilku miliardów lat po Wielkim Wybuchu. Prawdopodobnie są też nieliczne takie, które znajdują się znacznie bliżej: około miliarda lat świetlnych od nas, a więc właściwie w lokalnym wszechświecie.

Rozmyte linie widmowe sugerują, że zachodzą w nich bardzo gwałtowne procesy: gaz porusza się z wielkimi prędkościami, jak to przeważnie ma miejsce w sąsiedztwie czarnych dziur. Wyobraźmy sobie saksofonistę na karuzeli. Jego ruch względem słuchacza spowoduje wibrację tonu, który niczym syrena na przemian zbliżającego i oddalającego się ambulansu będzie falował, zmieniając swoją wysokość.

Widzimy również, że małe czerwone kropki są bardzo jasne, co w połączeniu z charakterystyką promieniowania elektromagnetycznego (ile światła w danym kolorze) pozwala oszacować masę. Jeśli światło pochodziłoby głównie od gwiazd (czerwone kropki jako zwyczajne młode galaktyki), to masa „małych” czerwonych kropek w niektórych przypadkach musiałaby sięgać dziesiątek miliardów mas Słońca.

Ponieważ obiekty te są: widziane jako punktowe (kropki!), odległe i jasne, to ich promieniowanie musi być bardzo efektywnie generowane w małych (w skali galaktycznej) obszarach przestrzeni. Najbardziej efektywnym procesem tego typu jest spadek materii na gigantyczną czarną dziurę. Stąd nasze podejrzenie: czerwone kropki nie są zwykłymi młodymi galaktykami, lecz galaktykami zawierającymi gigantyczne aktywne (pochłaniające materię) czarne dziury.

No dobrze, ale takie obiekty przecież już znamy. Kwazary to właśnie ,,aktywne centra galaktyk” i ich świecenie napędzane jest przez gigantyczne czarne dziury.

Nie tak prędko. Wiemy, że kwazary przeważnie świecą bardzo jasno na krótkich długościach fali (generują promieniowanie rentgenowskie, czyli tego typu, z jakim mamy czasami do czynienia, prześwietlając w szpitalu złamaną nogę). Promieniowanie kwazarów często zmienia się w czasie. Małe czerwone kropki nie za bardzo pasują do tego schematu: nie widzimy zmienności emisji w czasie i nie rejestrujemy silnego promieniowania rentgenowskiego.

Może więc jednak są to odległe jasne galaktyki składające się z wielu gwiazd? Możliwe, ale czerwone kropki widać w młodym wszechświecie, a zgodnie z naszymi teoriami jest mało prawdopodobne, że takie jasne galaktyki zdążyły się uformować tak wcześnie. Poza tym hipoteza ta napotyka inne problemy: gęstość takich galaktyk i prędkość powstawania w nich nowych gwiazd odpowiedzialnych za dużą jasność o rzędy wielkości przekracza to, co dotychczas obserwowaliśmy.

Istnieje jeszcze inna hipoteza – model hybrydowy, który zakłada, że za obserwowane promieniowanie małych czerwonych kropek odpowiedzialna jest zarówno gigantyczna czarna dziura, jak i gwiazdy. Choć model hybrydowy wydaje się krokiem we właściwą stronę, to w najprostszej wersji tego modelu problemem staje się zbyt duży stosunek masy czarnej dziury do masy gwiazd. 

Dramatycznie przekracza on to, co obserwujemy w innych galaktykach z aktywnymi czarnymi dziurami na podobnym etapie istnienia wszechświata. Czarne dziury i galaktyka wzrastają wspólnie, korzystając z tych samych zasobów materii.

Wśród odkrytych małych czerwonych kropek na szczególną uwagę zasługuje obiekt nazwany „The Cliff”. Jego wykres widma przypomina morski klif – stąd nazwa. Najnowsze obserwacje sugerują, że taki kształt widma jest skutkiem pochłaniania promieniowania przez gęsty gaz, co jest zgodne z niezwykłą hipotezą przedstawioną w 2006 r. przez Mitchella Begelmana, Martę Volonteri i Martina Reesa.

Zaproponowali oni alternatywny mechanizm formowania się supermasywnych czarnych dziur w młodych galaktykach. Według naszej standardowej wiedzy, czarne dziury powstają jako końcowy etap życia odpowiednio masywnych gwiazd.

Takie gwiazdy, po wypaleniu paliwa termojądrowego, zapadają się do czarnych dziur, a te z kolei w kosmicznej ewolucji rosną i rosną, pochłaniając okoliczną materię czy też zlewając się z innymi czarnymi dziurami. Niektóre z nich w ten sposób osiągają olbrzymie rozmiary.

Alternatywny mechanizm pomija klasyczny etap gwiazdowy – czarna dziura tworzy się z pierwotnego gazu. Taka hipotetyczna konfiguracja – czarna dziura zanurzona w gęstej otoczce wodorowej – nazywana jest kwazigwiazdą lub czarną dziurą w otoczce.

Kwazigwiazda przypomina wspomniane wcześniej obiekty typu Thorne-Żytkow. Przy czym miejsce gwiazdy neutronowej we wnętrzu gwiazdy przejmuje czarna dziura, no i skala rozpatrywanych zjawisk jest zupełnie inna. Kwazigwiazda świeciłaby nie tak jak tradycyjne gwiazdy dzięki procesom termojądrowym, ale dzięki energii wyzwalanej z materii spadającej na czarną dziurę. 

Gęsta otoczka gazowa tłumaczy wytłumienie promieniowania rentgenowskiego. Kwazigwiazdy, na wiele lat przed erą teleskopu Webba, były przedmiotem badań teoretycznych również polskich naukowców: Bożeny Czerny, Agnieszki Janiuk, Marka Sikory oraz Jeana-Pierre'a Lasoty.

Choć hipoteza kwazigwiazd, czyli czarnych dziur w otoczce, formujących się z pierwotnego gazu z pominięciem klasycznego etapu gwiazdy, jest ciekawa, to większość małych czerwonych kropek nie pasuje tak dobrze do tego modelu jak „The Cliff”. Niektóre z nich przypominają bardziej zwykłe kwazary, w których pył przesłania czarną dziurę w nietypowy sposób. Jak to przeważnie bywa w takich przypadkach, potrzebujemy więcej danych obserwacyjnych, żeby rozstrzygnąć ten problem.

W każdym razie odkrycie małych czerwonych kropek zmusza nas do rozważenia na nowo hipotez, które uważaliśmy za mniej prawdopodobne. Jeszcze śmielsza koncepcja zakłada, że we wszechświecie istnieją tzw. pierwotne czarne dziury. W przeciwieństwie do kwazigwiazd, pierwotne czarne dziury powstałyby nie setki milionów lat, lecz ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu. Gdyby ta hipoteza okazała się prawdziwa, mogłaby pomóc w rozwiązaniu innych problemów współczesnej astronomii.

Żyjemy w fascynujących dla nauki czasach. Jeszcze kilka lat temu nie wiedzieliśmy o istnieniu małych czerwonych kropek. Nowe dane obserwacyjne w ciągu kilku najbliższych lat powinny ujawnić ich prawdziwą naturę. Ciekawe, czy wówczas ciągle będziemy je tak nazywać?