Malá galaxie, neúměrně velká černá díra a vesmírné hodiny, které nesedí: to jsou ingredience objevu, který právě otřásl základy současné astrofyziky. Mezinárodní tým vedený Cambridgeskou univerzitou analyzoval objekt zachycený vesmírným teleskopem Jamese Webba (JWST) a výsledky, o nichž informují dva články publikované v časopisech Nature a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, nás nutí přehodnotit způsob vzniku a růstu nejhmotnějších černých děr ve vesmíru.
Obr v trpasličí galaxii
Objekt nese prozaické jméno Abell2744-QSO1 a patří do třídy astronomických zdrojů, které začal odhalovat teleskop Jamese Webba, tzv. Malé červené tečky. Jedná se o malé, extrémně vzdálené galaxie, jejichž světlo se jeví jako načervenalé, protože rozpínání vesmíru protáhlo jejich vlnové délky během velmi dlouhé cesty k našim detektorům. Galaxie, v níž se nachází Abell2744-QSO1, má průměr pouhých 1 300 světelných let a je trpasličí oproti Mléčné dráze, která měří více než 100 000 světelných let.
V srdci této skromné struktury se však skrývá černá díra o hmotnosti přibližně 50 milionů hmotností Slunce. Pro představu: Sagittarius A*, centrální černá díra v naší Galaxii, má hmotnost přibližně 4 miliony hmotností Slunce. Objekt detekovaný JWST je tedy asi dvanáctkrát hmotnější než náš vlastní. V žádném případě se nejedná o největší známou černou díru: ta v centru galaxie Messier 87 dosahuje 6,5 miliardy hmotností Slunce a nejextrémnější dosud katalogizované černé díry přesahují 20 miliard a dokonce 40 miliard hmotností Slunce.
Příliš velký na svůj věk
Skutečně mimořádná není absolutní velikost, ale stáří vesmíru v době, kdy tato černá díra již existovala. Vzdálenost Abell2744-QSO1 nám umožňuje pozorovat ji takovou, jaká byla v době, kdy byl vesmír starý pouhých 700 milionů let, tedy méně než 5 % jeho současného stáří. Je to, jako když narazíte na pětiletého chlapce, který měří metr osmdesát: možná není nejvyšším člověkem na planetě, ale této výšky dosáhl v době, kdy všichni ostatní lidé teprve začínali růst.
Klasické teorie popisují uspořádaný, postupný proces. Nejprve se masivní hvězdy zhroutí, když vyčerpají své jaderné palivo a vytvoří černé díry o hmotnosti několika desítek hmotností Slunce. Poté se tyto zárodky pomalu zvětšují, jak pohlcují okolní plyn a splývají s dalšími černými dírami. Souběžně s tím rostou galaxie postupnými srážkami a splýváním a teprve po miliardách let se objevují obří černé díry, které obývají dnešní galaktická centra. Sedm set milionů let je prostě příliš krátká doba na to, aby takový konvenční mechanismus vytvořil tak masivní objekt.
Poměr, který není splněn
Astrofyzici již léta detekují překvapivě velké černé díry v raných epochách vesmíru. Badatelé však upozorňují, že tento případ je obzvláště znepokojivý, protože se jim poprvé podařilo přímo změřit hmotnost černé díry a porovnat ji s celkovou hmotností její hostitelské galaxie.
V současném vesmíru existuje mezi oběma veličinami poměrně stabilní vztah, jakýsi stabilní poměr, který se opakuje v tisících pozorovaných systémů. Abell2744-QSO1 toto pravidlo hrubě porušuje. Podle týmu vedeného Ignasem Juodžbalisem z Cambridge je černá díra asi desetkrát hmotnější, než by se dalo očekávat, a to i ve srovnání s nejextrémnějšími příklady, které dosud identifikoval JWST.
Změna paradigmatu?
Roberto Maiolino, který vedl druhou studii, označil objev za „změnu paradigmatu“, která nutí přehodnotit tradiční scénáře vzniku a růstu černých děr. Tento výraz může znít velkohubě, ale poukazuje na velmi konkrétní otázku: jaký mechanismus umožnil tomuto objektu dosáhnout takové hmotnosti v tak krátkém čase?
Vědci zvažují přinejmenším dvě alternativní cesty. První zahrnuje takzvané černé díry s přímým kolapsem: obrovská mračna prachoplynu, která by se téměř okamžitě zhroutila sama do sebe, čímž by hned od počátku vytvořila velmi hmotné zárodky a ušetřila tak velkou část pomalého růstu, který vyžadují konvenční modely. Druhá hypotéza předpokládá, že primordiální černé díry mohly pohlcovat hmotu mnohem rychleji, než kosmologické modely považují za možné, a překračovat tak po delší dobu tzv. akreční limit, tj. teoretickou maximální rychlost, kterou může černá díra pohlcovat plyn, předtím, než tlak emitovaného záření zpomalí pád nového materiálu.
Okno, které se právě otevřelo
Kromě jedinečnosti tohoto nálezu vědci zdůrazňují, že Abell2744-QSO1 není jen podivnou černou dírou, ale oknem do éry vesmíru, kterou teprve začínáme zkoumat s potřebným rozlišením. Po desetiletí byly teorie o mladém vesmíru postaveny na extrémně slabých a vzdálených signálech. Teleskop Jamese Webba mění pravidla hry tím, že ukazuje objekty, které nikdo tak blízko velkého třesku nečekal: některé příliš jasné, jiné příliš velké, další příliš vyspělé na své kosmické stáří.
Ve vědě vzbuzují anomálie zvědavost, ale představují také riziko pro zavedené teorie. Každá neočekávaná informace, kterou nám JWST poskytne, je výzvou a zároveň příležitostí ke zpřesnění našeho chápání vzniku a vývoje vesmíru.