Uusi teoria ehdottaa "mustan aukon tähtiä" ratkaisuksi punaisten pisteiden arvoitukseen

KAK – James Webb -avaruusteleskooppi (JWST) on jälleen kerran haastanut käsityksemme maailmankaikkeudesta. Sen ottamissa kuvissa on havaittu pieniä, punaisia pisteitä, jotka eivät tunnu sopivan nykyisiin malleihin galaksien muodostumisesta. Nyt uusi teoria ehdottaa, että nämä kohteet voisivat olla aivan uudenlainen taivaankappale. Tutkijat käyttivät tästä nimitystä "mustan aukon tähti".

Taiteilijan näkemys ”mustan aukon tähdestä”. Kuva on kaaviollinen ja tähden keskellä on massiivinen musta aukko kertymäkiekkoineen. Piirros ei ole mittakaavassa, sillä mustan aukon ympärille kertynyt kaasukehä on paljon laajempi ja massiivisemmi kuin mitä kaavio antaa ymmärtää. Kaasukehä on juuri se minkä näemme punaisina pisteinä. Kuva © MPIA / Hda / T. Müller / A. de Graaff.

James Webb -teleskoopin kyky tehdä havaintoja kaukaa menneisyydestä on paljastanut joukon kohteita, jotka vaikuttavat olevan liian massiivisia sijaitakseen niin varhaisessa maailmankaikkeudessa. Nämä "pienet punaiset pisteet" eivät näytä sopivan perinteiseen malliin siitä, miten galaksit ja supermassiiviset mustat aukot niiden keskustoissa kehittyvät.

Yksi tällainen kohde, lempinimeltään "The Cliff", on erityisen mielenkiintoinen. Sen ominaisuudet eivät vastaa sitä, mitä odottaisimme nuorelta galaksilta.

Ratkaisuksi tähän arvoitukseen on ehdotettu uutta teoriaa, joka esittelee "mustan aukon tähdet". Nämä eivät ole tähtiä perinteisessä mielessä, vaan supermassiivisia mustia aukkoja, joita ympäröi paksu, myrskyisä kaasuvaippa.

Tässä mallissa musta aukko kerää ympärilleen valtavan määrän kaasua, joka muodostaa sen ympärille tiheän kuoren. Tämä kaasuvaippa peittää mustan aukon ja sen kertymäkiekon näkyvistä, ja sen sijaan näemme vain kaasun hehkun – punaisen pisteen. Tämä selittäisi, miksi kohteet näyttävät niin kirkkailta ja punaisilta, ja miksi ne vaikuttavat olevan niin massiivisia.

Jos teoria mustan aukon tähdistä osoittautuu todeksi, se mullistaisi käsityksemme varhaisesta maailmankaikkeudesta. Se voisi selittää, miten supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin suuriksi niin nopeasti universumin historian alkuvaiheessa.

 

Punaiset pisteet ja "The Cliff"

James Webb -avaruusteleskooppi on suunniteltu näkemään maailmankaikkeuden kaukaisimpiin ja varhaisimpiin kolkkiin. Tutkiessaan näitä varhaisia vaiheita, noin 700 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, teleskooppi on löytänyt lukuisia kohteita, joita on alettu kutsua punaisiksi pisteiksi.

Nämä kohteet ovat hämmentäneet tutkijoita, koska ne näyttävät olevan liian kehittyneitä ja massiivisia ollakseen olemassa niin varhain maailmankaikkeuden historiassa. Niiden punainen väri viittaisi vanhoihin tähtiin, mutta niiden kirkkaus ja koko eivät sovi yhteen tunnettujen galaksimallien kanssa.

"The Cliff" erottui punaisten pisteiden joukosta selvästi. Sen valon spektri on äärimmäisen poikkeava. Spektrissä näkyi jyrkkä pudotus, jota kutsutaan Balmerin harppaukseksi. Tämä ilmiö liittyy vetyatomien ionisoitumiseen, ja "The Cliffillä" se oli kaksi kertaa voimakkaampi kuin missään aiemmin havaitussa kaukaisessa kohteessa. Tällainen voimakas signaali viittasi siihen, että valo ei tule tavanomaisesta tähtien joukosta, vaan yhdestä, massiivisesta lähteestä.

Koska "The Cliffin" kaltaisten kohteiden ominaisuudet eivät sopineet yhteen olemassa olevien teorioiden kanssa, tutkijoiden oli ajateltava laatikon ulkopuolelta. Perinteiset selitykset eivät riittäneet.

Tutkijaryhmä kehitti uuden mallin, mustan aukon tähden. Tässä mallissa ei ole kyse tähdestä sanan perinteisessä merkityksessä, vaan supermassiivisesta mustasta aukosta, jota ympäröi tiheä ja myrskyisä vetykaasuvaippa. Kaasuvaippa syntyy nopeasti materian kertymisestä musta aukon ympärille. Se kuumenee ja emittoi sähkömagneetista säteilyä lähes kaikilla aallonpituuksilla. Tämä kuuma kaasuvaippa peittää alleen mustan aukon ja sen kuuman kertymäkiekon. Kaasun läpi kulkeva valo muuttuu ja saa aikaan juuri sellaisen voimakkaan ja jyrkän Balmerin harppauksen, joka "The Cliff" -kohteessa havaittiin. Simulaatiot, jotka perustuivat tähän malliin, vastasivat erittäin tarkasti "The Cliffin" havaittua spektriä. Tämä antoi vahvaa tukea teorialle, että kyseessä voisi olla aivan uudenlainen taivaankappale.

"Mustan aukon tähti" -malli on tällä hetkellä vahvin ehdokas selittämään "The Cliffin" kaltaisten äärimmäisten kohteiden olemassaolon. Se tarjoaa elegantin ratkaisun siihen, miksi nämä kohteet näyttävät yhdeltä massiiviselta, punaiselta ja kylmältä "tähdeltä" monien erillisten tähtien sijaan. Malli voisi myös selittää, miten supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin nopeasti varhaisessa maailmankaikkeudessa.

On kuitenkin tärkeää muistaa, että malli on vielä uusi ja hypoteettinen. Se vaatii lisää havaintoja ja tutkimusta vahvistuakseen.

Ennen "mustan aukon tähti" -mallia "pienille punaisille pisteille" on ehdotettu myös muita selityksiä:

Erittäin tiheät ja pölyiset nuoret galaksit: Yksi johtavista teorioista oli, että kohteet ovat äärimmäisen tiheitä ja pienikokoisia galakseja, joissa syntyy valtavasti uusia tähtiä. Tässä mallissa galaksit olisivat niin paksun pölyvaipan peitossa, että vain punainen valo pääsisi siitä läpi, mikä selittäisi niiden värin. Ongelmana tässä mallissa on, että se vaatisi tähtien syntyvän niin kiivaaseen tahtiin, että se haastaa nykyiset mallit galaksien muodostumisesta.

Aktiiviset galaksiytimet (AGN): Toinen vaihtoehto on, että kohteet ovat supermassiivisia mustia aukkoja, jotka ovat galaksiensa keskustoissa ja keräävät aktiivisesti ainetta (AGN, Active Galactic Nucleus). Nämä kohteet olisivat myös paksun pölyn peitossa. Vaikka monissa "pienissä punaisissa pisteissä" onkin havaittu merkkejä aktiivisista galaksiytimistä, tämä teoria ei yksinään selitä "The Cliffin" kaltaisten kohteiden äärimmäisiä ominaisuuksia, kuten erittäin voimakasta Balmerin harppausta. Lisäksi monilta kohteilta puuttuu röntgen- ja radiosäteily, jota tyypillisesti odotettaisiin AGN-kohteilta.

Koska "mustan aukon tähti" on toistaiseksi hypoteettinen malli, tutkijoiden ensisijainen tavoite on kerätä lisää todistusaineistoa, joka joko tukee tai kumoaa sen. Suunnitelmat jatkotutkimuksille ovatkin monipuolisia ja keskittyvät juuri mallin heikkojen kohtien ja ennusteiden testaamiseen.

 

Suunnitelmat jatkotutkimuksille

Jatkotutkimusten päätavoite on erottaa "mustan aukon tähti" -kandidaatit muista mahdollisista selityksistä, kuten äärimmäisen pölyisistä galakseista tai perinteisistä aktiivisista galaksiytimistä (AGN).

Ensimmäinen askel on käydä läpi kaikki James Webb -teleskoopin keräämä data ja etsiä järjestelmällisesti lisää "The Cliffin" kaltaisia kohteita, joilla on poikkeuksellisen voimakas spektri. Mitä suurempi otos samankaltaisia kohteita löydetään, sitä paremmin niiden yhteisiä ominaisuuksia voidaan tutkia ja verrata teorioihin.

Tutkijat pyrkivät myös saamaan entistä tarkempia ja syvempiä spektrejä "The Cliffistä" ja muista mahdollisista kandidaateista. Tavoitteena on etsiä heikkoja merkkejä kaasun liikkeestä ja koostumuksesta. Tällainen data voisi paljastaa yksityiskohtia kaasun nopeudesta ja lämpötilasta, mikä auttaisi varmistamaan, onko kyseessä kaoottinen kaasuvaippa vai esimerkiksi järjestäytyneemmin pyörivä galaksin kiekko.

Näiden jatkotutkimusten avulla tiedeyhteisö pyrkii pala palalta kokoamaan palapeliä ja selvittämään, onko James Webb -avaruusteleskooppi todella löytänyt ensimmäiset todisteet täysin uudentyyppisestä taivaankappaleesta.

 

Lähteet

[1] “Black Hole Stars” could solve JWST riddle of overly massive early galaxies” Max Plancj Institute:n lehdistötiedote, 12.9.2025.

[2] "A remarkable ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a little red dot at z = 3.5", by A. de Graaff et al. Published in Astronomy & Astrophysics, 2025, 701, A168.

 

 

Tähtitieteilijät ovat nähneet mustan aukon aktivoitumisen reaaliajassa

Vuoden 2019 lopulla aiemmin himmeä galaksi SDSS1335+0728 alkoi yhtäkkiä loistaa kirkkaammin kuin koskaan aiemmin. Ymmärtääkseen ilmiötä tähtitieteilijät ovat hyödyntäneet useiden avaruus- ja maapäällisten observatorioiden, kuten Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin, tietoja tutkiakseen miten galaksin kirkkaus on vaihdellut. Tänään julkaistussa tutkimuksessa he toteavat, että he ovat todistamassa sellaisia muutoksia, joita galaksissa ei ole koskaan aiemmin nähty. Nämä ovat todennäköisesti seurausta galaksin ytimessä olevan massiivisen mustan aukon äkillisestä aktivoitumisesta.

Loppuvuodesta 2019 galaksi SDSS1335+0728 alkoi yhtäkkiä loistaa kirkkaammin kuin koskaan aiemmin. Se luokiteltiin aktiiviseksi galaktiseksi ytimeksi, jonka voimanlähteenä toimii galaksin ytimessä oleva massiivinen musta aukko. Tämä on ensimmäinen kerta, kun massiivisen mustan aukon aktivoituminen on havaittu reaaliajassa. Tässä taiteilijan tekemässä havainnekuvassa näkyy mustan aukon ympärillä oleva ja kasvava materiaalikiekko, joka saa ympäristöstään lisää kaasua ja tästä syystä se kirkastuu edelleen.

Kuva ESO/M. Kornmesser

 

"Kuvittele, että olet havainnut kaukaista galaksia vuosien ajan, ja se on aina vaikuttanut rauhalliselta ja passiiviselta", sanoi Paula Sánchez Sáez, ESO:n tähtitieteilijä Saksassa ja Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistavaksi hyväksytyn tutkimuksen pääkirjoittaja. "Yhtäkkiä sen [ytimessä] alkaa näkyä dramaattisia epätyypillisiä kirkkauden muutoksia, joita emme ole aiemmin nähneet". SDSS1335+0728:lle tapahtui juuri näin. Sen jälkeen, kun se kirkastui dramaattisesti joulukuussa 2019, kohde on nyt luokiteltu aktiiviseksi galaksiytimeksi (AGN). AGN on kirkas kompakti alue, jonka voimanlähteenä on massiivinen musta aukko^[1].

Jotkin ilmiöt, kuten supernovaräjähdykset tai TDEt (tidal disruption events, vuorovesihäiriö), jossa tähti joutuu liian lähelle mustaa aukkoa ja repeytyy hajalle, voivat saada galaksit yhtäkkiä kirkastumaan. Nämä kirkkauden vaihtelut kestävät kuitenkin tyypillisesti vain muutamia kymmeniä tai korkeintaan muutamia satoja vuorokausia. SDSS1335+0728 kirkastuu edelleen yli neljä vuotta sen jälkeen, kun sen havaittiin ensimmäisen kerran. Lisäksi tässä 300 miljoonan valovuoden päässä Neitsyen tähdistössä sijaitsevassa galaksissa havaitut kirkkauden vaihtelut ovat täysin erilaisia kuin aiemmin havaitut, mikä viittaa tähtitieteilijöiden mielestä erilaiseen selitykseen.

Tutkimusryhmä yritti saada kirkkauden vaihteluille selvyyttä yhdistämällä useiden eri laitteiden arkistodataa ja uusia havaintoja, kuten dataa ESO:n VLT:n X-shooter-instrumentista, joka sijaitsee Chilen Atacaman autiomaassa^[2]. Verrattaessa ennen ja jälkeen joulukuun 2019 otettuja tietoja he havaitsivat, että SDSS1335+0728 lähettää nyt paljon enemmän valoa ultravioletti-, optisella ja infrapuna-aallonpituudella. Galaksi alkoi myös lähettää röntgensäteilyä helmikuussa 2024. "Tämä käyttäytyminen on ennennäkemätöntä", sanoi Sánchez Sáez, joka kuuluu myös Chilessä sijaitsevaan Millennium Institute of Astrophysics (MAS) -instituuttiin.

"Selkein tapa tämän ilmiön selittämiseksi on se, että näemme parhaillaan, miten galaksin [ydin] alkaa (...) aktivoitua", sanoi yksi tutkimuksen kirjoittajista Lorena Hernández García MAS:sta ja Valparaíson yliopistosta Chilessä. "Jos näin on, niin tämä olisi ensimmäinen kerta, kun näemme massiivisen mustan aukon aktivoituvan reaaliajassa".

Useimpien galaksien, kuten myös Linnunradan, keskellä on massiivinen musta aukko, joiden massa on yli satatuhatta kertaa Aurinkoamme massa. "Nämä jättimäiset hirviöt yleensä ”nukkuvat” eivätkä ole suoraan näkyvissä", kertoi yksi tutkimuksen tekijöistä Claudio Ricci Diego Portalesin yliopistosta, joka sijaitsee myös Chilessä. "SDSS1335+0728:n tapauksessa pystyimme havaitsemaan massiivisen mustan aukon ”heräämisen”, [joka] alkoi yhtäkkiä ”herkutella” ympäristöstään saatavilla olevalla kaasulla ja muuttui hyvin kirkkaaksi".

"[Tätä] prosessia (...) ei ole koskaan aiemmin havaittu", Hernández García sanoi. Aikaisemmissa tutkimuksissa on raportoitu galaksien muuttuvan aktiivisiksi useiden vuosien kuluessa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun itse prosessi, eli mustan aukon aktivoituminen on havaittu reaaliajassa. Ricci, joka kuuluu myös Pekingin yliopiston Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics -instituuttiin Kiinassa, lisäsi: "Tämä voisi tapahtua myös omalle Sgr A*:lle, siis galaksimme keskellä sijaitsevalle massiiviselle mustalle aukolle", mutta on epäselvää, kuinka todennäköistä tämä on.

Vaihtoehtoisten selitysten poissulkemiseksi tarvitaan vielä seurantahavaintoja.  On mahdollista, että kyseessä on epätavallisen hidas TDE-ilmiö tai jopa aivan uusi ilmiö. Jos kyseessä on TDE, niin tämä olisi pisin ja heikoin koskaan havaittu tällainen tapahtuma. "Riippumatta siitä, millaista vaihtelu on, [tämä galaksi] antaa arvokasta tietoa siitä, miten mustat aukot kasvavat ja kehittyvät", Sánchez Sáez sanoi. "Oletamme, että [VLT:n MUSE:n tai tulevan ELT:n (Extremely Large Telescope) vastaavat laiteet] uudet instrumentit ovat avainasemassa [galaksin kirkastumisen syiden] ymmärtämisessä".

Lisätietoja

[1] SDSS1335+0728 -galaksin epätavalliset kirkkausvaihtelut havaittiin Yhdysvalloissa sijaitsevalla Zwicky Transient Facility (ZTF) -teleskoopilla. Tämän jälkeen Chilen johtama Automatic Learning for the Rapid Classification of Events (ALeRCE) -ohjelma luokitteli SDSS1335+0728:n aktiiviseksi galaksiytimeksi.

[2] Tutkimusryhmä kokosi arkistodataa useista eri lähteistä: NASAn Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), Galaxy Evolution Explorer (GALEX), Two Micron All Sky Survey (2MASS), Sloan Digital Sky Survey (SDSS) sekä IKI:n ja DLR:n Spektr-RG-avaruusobservatorion eROSITA-instrumentista. Seurantahavaintoja tehtiin ESO:n VLT:n lisäksi Southern Astrophysical Research Telescope (SOAR) -teleskoopilla, W. M. Keckin observatoriolla sekä NASA:n Neil Gehrels Swift -teleskoopilla ja Chandra X-ray -teleskoopilla

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa: “SDSS1335+0728: The awakening of a ∼ 106M⊙ black hole”, joka julkaistaan Astronomy & Astrophysics -lehdessä.