Ett svart hål som inte bildats av stjärnkollaps 

Det svarta hålet i Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, observerat av JWST i det tidiga universum (cirka 700 miljoner år efter Big Bang), är ett supermassivt svart hål som har vuxit till sin nuvarande storlek utan en mycket större galax som försörjer det. Enligt standardmodellen för stjärnornas evolution bildas svarta hål genom att större stjärnor dör i slutet av deras livslopp när de får slut på bränsle till följd av att stjärnkärnan kollapsar. Dessa svarta hål växer i storlek och livnär sig på materia från en mycket större galax. Det svarta hålet i Little Red Dot QSO1 passar inte in i denna ram och är nytt. Det bildas direkt utan standardmässig stjärnutveckling, dvs. det är inte en rest. av kärnkollaps hos en stor döende stjärna. Istället är det antingen ett direktkollapssvart hål (DCBH) eller ett ursvart hål (PBH). Svarta hål som inte bildats av stjärnkollaps teoretiserades tidigare. Detta är bevis på ett svart hål som bildas genom en process bortom standardprocessen. stjärnutveckling.  

Hur bildas ett svart hål? Enligt standardmodellen för stjärnors evolution är svarta hål slutprodukter av massiva stjärnors evolution. Stjärnor genomgår förändringar med tiden. 

En stjärnas liv börjar i stora interstellära moln av gas och stoft i galaxen med klumpning av gaser på grund av låg temperatur till fickor med hög densitet. Klumparna samlar gradvis mer och mer materia och växer. Vid någon tidpunkt kollapsar klumparna på grund av ökad gravitationskraft. Friktionen under kollapsen värmer upp materian och en babystjärna föds. Detta är protostjärnestadiet i stjärnans livscykel. Den gravitationella kollapsen fortsätter ytterligare vilket leder till en gradvis ökning av temperatur och tryck i protostjärnans kärna. Med tiden blir temperaturen och trycket tillräckligt högt för att vätekärnor ska kunna smälta samman. Kärnfusion frigör en enorm mängd energi som värmer upp materian tillräckligt för att förhindra ytterligare kollaps under gravitationen. Detta är stjärnans "huvudsekvensstadium". Väte är det huvudsakliga bränslet. 

När bränslet tar slut avstannar kärnfusionen och det finns ingen energi att värma upp material för att balansera gravitationens inåtriktade kraft, och kärnan kollapsar och lämnar efter sig en kompakt rest. Detta är slutet på stjärnan. Den döda stjärnan eller den kompakta resten är antingen en vit dvärgstjärna, en neutronstjärna, eller svart hål beroende på den ursprungliga stjärnans massa. Stjärnor tyngre än 20 solmassor (>20 M⦿) blir svarta hål i slutet av stjärnutvecklingen när bränslet tar slut. Detta är standardsättet – stjärnor och galaxer bildas först, och svarta hål bildas senare som slutstadiet av stjärnutvecklingen. Massan av sådana svarta hål är mycket mindre än galaxens totala massa. 

Icke-stellär bildning av svarta hål

Kan svarta hål bildas på andra sätt än genom att stjärnkärnor kollapsar? Två "icke-stjärniga" bildningskanaler har teoretiserats. 

I det tidiga universum kan ett stort urgasmoln kollapsa direkt in i ett svart hål, kringgå normal stjärnbildning och evolution, vilket ger upphov till det vi kallar direktkollapsade svarta hål (DCBH). De andra hypotetiska svarta hålen som bildats direkt utan inblandning av standardstjärnevolution är ursvarta hål (PBH). PBH är reliker från Big Bang som bildades under de extrema densitetsfluktuationerna i det mycket tidiga universum strax efter Big Bang. 

Att svarta hål bildas genom "icke-stellära" kanaler är bara teoretiserade och därför hypotetiska. Men saker och ting började förändras snabbt med uppskjutningen av JWST i december 2021, ett infrarött rymdobservatorium tillägnat studier av det tidiga universum.

James Webb Space Telescope (JWST) revolutionerar studiet av det tidiga universum 

JWST har gjort flera observationer som utmanar vår förståelse av det tidiga universum. Observation av galaxen JADES-GS-z14-0 vid en rödförskjutning på 14.32, vilket gör den till den mest avlägsna galaxen man känner till. Denna galax bildades i det tidiga universum cirka 290 miljoner år efter Big Bang, men det är en stor, massiv och mycket ljusstark galax. Den visade sig också vara metallrik, vilket innebär att generationer av massiva stjärnor redan skulle ha fullbordat sina livslopp från födsel till supernovaexplosion med cirka 290 miljoner år i det tidiga universum. På liknande sätt visade sig galaxen GS-NDG-9422, som är daterad ungefär en miljard år efter Big Bang, vara kemiskt komplex utan population III-stjärnor. Enligt den nuvarande uppfattningen bör den första generationen stjärnor i det tidiga universum vara population III-stjärnor med noll metallicitet. (Inom astronomi betraktas alla grundämnen som är tyngre än helium som en metall. Kemiska icke-metaller som syre, kväve etc. är metaller i kosmologiskt sammanhang. Stjärnor blir metallberikade i varje generation efter en supernovahändelse). 

JWST har också observerat supermassiva svarta hål i det tidiga universum. Ett sådant svart hål daterades cirka 700 miljoner år efter Big Bang och mätte ungefär några miljoner gånger solens massa. Allt började med att JWST observerade små röda prickar (LRD) som upptäcktes i JWST:s första datapublicering 2022. Dessa rödfärgade kompakta objekt hade V-formade spektra och visade emission från höghastighetsvätgas. 

Den lilla röda pricken QSO1 (eller Abell2744-QSO1) 

QSO1 (eller Abell2744-QSO1) är en prototypisk liten röd prick, cirka 1 300 ljusår i diameter, på ett avstånd av mer än 13 miljarder ljusår. Den existerade i det tidiga universum bara 700 miljoner år efter Big Bang. Den är gravitationellt linsad av galaxhopen Abell 2744 (Pandoras stjärnhop), därför är den både förstorad och trippelavbildad och uppträder på tre olika platser på himlen. Som ett resultat är QSO1 lättare att studera än de flesta andra små röda prickar. 

En detaljerad studie av denna lilla röda prick (LRD) har lett forskare till slutsatsen att vissa supermassiva svarta hål var enorma från början. De bildades utan en stjärnkollapsfas och utan en betydligt mer massiv värdgalax som försörjde dem. 

QSO står för Quasi-Stellar Object (vanligtvis kallat en kvasar). 

Inledande studier hade visat att QSO1 är mer än ett moln av glödande väte- och heliumgas som cirklar runt ett supermassivt svart hål med en massa på ungefär 40 miljoner gånger solens. Det rådde dock osäkerhet om huruvida det verkligen var så massivt. Detta berodde på att tidigare har alla massmätningar av svarta hål i det tidiga universum varit indirekta, baserade på antaganden från vad vi vet om dem i det lokala universumet. Vi visste inte om dessa antaganden verkligen gäller för det tidiga universum. 

Forskarna insåg att om QSO1:s svarta hål verkligen är så massivt, borde de kunna använda den integrerade fältenheten (IFU) på JWST för att spåra effekterna av dess gravitation på gasen som virvlar runt det, samtidigt som de kartlade fördelningen av olika element i gasen. Därför använde de IFU-observationerna och kartlade rörelserna hos vätgasen som omger det svarta hålet. 

Diagrammet över rotationshastigheten som funktion av avståndet från centrum visade att gasen hade keplersk rörelse, vilket innebär att större delen av massan i Little Red Dot QSO1 är koncentrerad i det svarta hålet i centrum. Om massan vore fördelad skulle gasen inte ha kretsat kring en central punkt på det perfekta keplerska sättet, på samma sätt som planeter kretsar kring solen i solsystemet. 

Eftersom Keplers rörelse styrs av gravitationslagarna, gjorde gashastighetsmätningarna det möjligt för forskare att beräkna det svarta hålets massa direkt. Detta var den första direkta mätningen av massan av ett svart hål i det tidiga universumet. Man fann att QSO1:s svarta hål väger cirka 50 miljoner solmassor. Dessutom utgör detta svarta hål två tredjedelar av QSO1:s totala massa. Detta är mycket ovanligt eftersom supermassiva svarta hål i närliggande galaxer i allmänhet bara utgör en liten del av värdgalaxens totala massa.

Vidare visade analys av IFU-kartorna att gasen i hela QSO1 nästan uteslutande består av väte och helium. En galax rik på stjärnor och stjärnskräp borde ha tyngre element som syre, men QSO1 har en extremt låg metallicitet, mindre än 0.5 % av solens, vilket antyder att QSO1 har en mycket ren galaktisk miljö.

Den massiva massan av QSO1 i förhållande till dess värdgalax antyder att den inte måste ha bildats genom gradvis sammanslagning och näring av mindre stjärnliknande svarta hål. Tydligen föregår det svarta hålet i Little Red Dot QSO1 den stjärnliknande evolutionsprocessen. Det kan ha utvecklats från ett tungt frö som bildades inom den första sekunden av Big Bang (ursvart hål) eller något senare från kollapsen av ett gigantiskt gasmoln (direktkollapssvart hål) och kan vara i ett tidigt stadie av att bygga en galax runt sig. Det är för närvarande inte möjligt att säga om det supermassiva svarta hålet i Little Red Dot QSO1 är ett ursvart hål (PBH) eller ett direktkollapssvart hål (DCBH); det finns dock bevis för icke-stellär bildning av svarta hål i det tidiga universum.

***

Referenser: 

1. Maiolino R., et al, 2026. Ett svart hål i en nästan orörd galax 700 Myr efter Big Bang. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, volym 548, nummer 1, maj 2026, staf2109. Publicerad 06 april 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. et al. En direkt mätning av svarta hålsmassa i en liten röd prick vid hög rödförskjutning. Nature 653, 1017–1021 (2026). Publicerad 27 maj 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASAs Webb avslöjar svart hål som bildades före dess galax. Publicerad 27 maj 2026. Tillgänglig på https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Relaterade artiklar 

James Webb Space Telescope (JWST): Det första rymdobservatoriet tillägnat studier av det tidiga universum (6 november 2021) 

Studie av tidigt universum: REACH-experiment för att upptäcka svårfångade 21-cm linje från Cosmic Hydrogen(3 augusti 2022) 

Brown Dwarfs (BDs): James Webb-teleskopet identifierar det minsta objektet som formats på ett stjärnliknande sätt (5 januari 2024) 

Det äldsta svarta hålet från det tidiga universum utmanar modellen för bildning av svarta hål (24 januari 2024) 

Tidiga universum: Den mest avlägsna galaxen "JADES-GS-z14-0" utmanar modellerna av galaxbildning (12 augusti 2024) 

Paradox av metallrika stjärnor i det tidiga universum (27 september 2024)

***