Černá díra, která nevznikla z kolapsu hvězdy 

Černá díra v galaxii Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, kterou pozoroval JWST v raném vesmíru (asi 700 milionů let po Velkém třesku), je supermasivní černá díra, která narostla do své současné velikosti bez mnohem větší galaxie, která by ji živila. Podle standardního modelu hvězdné evoluce černé díry vznikají smrtí větších hvězd na konci jejich životního cyklu, když jim dojde palivo v důsledku kolapsu hvězdného jádra. Tyto černé díry zvětšují svou velikost a živí se hmotou z mnohem větší galaxie. Černá díra v galaxii Little Red Dot QSO1 do tohoto rámce nezapadá a je nová. Vzniká přímo bez standardní hvězdné evoluce, tj. není pozůstatkem kolapsu jádra velké umírající hvězdy. Místo toho se jedná buď o černou díru s přímým kolapsem (DCBH), nebo o primordiální černou díru (PBH). O černých dírách, které nevznikly z hvězdného kolapsu, se uvažovalo již dříve. To je důkaz černé díry, která vzniká procesem, který přesahuje standardní hvězdnou evoluci.

Jak vzniká černá díra? Podle standardního modelu hvězdné evoluce jsou černé díry konečnými produkty evoluce hmotných hvězd. Hvězdy procházejí změnami s postupem času. 

Život hvězdy začíná ve velkých mezihvězdných oblacích plynu a prachu v galaxii shlukováním plynů v důsledku nízké teploty do kapes s vysokou hustotou. Shluky postupně shromažďují stále více hmoty a rostou. V určitém okamžiku se shluky v důsledku zvýšené gravitační síly dovnitř zhroutí. Tření během kolapsu hmotu zahřívá a zrodí se hvězda. Toto je fáze protohvězdy v životním cyklu hvězdy. Gravitační kolaps dále pokračuje, což vede k postupnému zvyšování teploty a tlaku v jádru protohvězdy. Postupem času se teplota a tlak dostatečně zvýší, aby umožnily fúzi jader vodíku. Jaderná fúze uvolňuje obrovské množství energie, která hmotu dostatečně zahřeje, aby zabránila dalšímu kolapsu vlivem gravitace. Toto je „fáze hlavní posloupnosti“ hvězdy. Vodík je hlavním palivem. 

Když dojde palivo, jaderná fúze se zastaví a nezbývá energie k ohřevu materiálů, aby se vyrovnala vnitřní gravitační síla. Jádro se zhroutí a zanechá po sobě kompaktní zbytek. Toto je konec hvězdy. Mrtvá hvězda nebo kompaktní zbytek je buď bílý trpaslík, neutronová hvězda nebo černá díra v závislosti na hmotnosti původní hvězdy. Hvězdy těžší než 20 hmotností Slunce (>20 M⦿) se na konci hvězdné evoluce stanou černými dírami, když dojde palivo. Toto je standardní způsob – nejprve se tvoří hvězdy a galaxie a černé díry se tvoří později, jako konečná fáze hvězdné evoluce. Hmotnost takových černých děr je mnohem menší než celková hmotnost galaxie.

Nehvězdná tvorba černých děr

Mohou černé díry vznikat i jinými způsoby než kolapsem hvězdného jádra? Byly teoreticky zvažovány dva „nehvězdné“ kanály jejich vzniku. 

V raném vesmíru se může velký oblak prvotního plynu zhroutit přímo do černé díry, čímž se vyhne normálnímu vzniku a vývoji hvězd, a vzniknout tak tomu, čemu říkáme černé díry s přímým kolapsem (DCBH). Dalšími hypotetickými černými dírami, které vznikly přímo bez zapojení standardní hvězdné evoluce, jsou prvotní černé díry (PBH). PBH jsou pozůstatky Velkého třesku, které vznikly při extrémních fluktuacích hustoty velmi raného vesmíru krátce po Velkém třesku. 

Černé díry vzniklé „nehvězdnými“ kanály jsou pouze teoretické, a proto hypotetické. Věci se ale začaly rychle měnit s vypuštěním JWST v prosinci 2021, infračervené vesmírné observatoře věnované studiu raného vesmíru.

Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) způsobil revoluci ve studiu raného vesmíru 

JWST provedl několik pozorování, která zpochybňují naše chápání raného vesmíru. Pozorování galaxie JADES-GS-z14-0 s rudým posuvem 14.32 z ní činí nejvzdálenější známou galaxii. Tato galaxie vznikla v raném vesmíru asi 290 milionů let po Velkém třesku, přesto se jedná o velkou, hmotnou a vysoce zářivou galaxii. Bylo také zjištěno, že je bohatá na kovy, což znamená, že generace hmotných hvězd by již dokončily svůj životní cyklus od zrození do exploze supernovy asi 290 milionů let v raném vesmíru. Podobně se ukázalo, že galaxie z raného vesmíru GS-NDG-9422, datovaná asi miliardu let po Velkém třesku, je chemicky komplexní a neobsahuje žádné hvězdy populace III. Podle současného chápání by první generace hvězd raného vesmíru měla být hvězdami populace III s nulovou metalicitou. (V astronomii je jakýkoli prvek těžší než hélium považován za kov. Chemické nekovy, jako je kyslík, dusík atd., jsou v kosmologickém kontextu kovy. Hvězdy se v každé generaci po události supernovy obohacují o kovy). 

JWST také pozoroval supermasivní černé díry v raném vesmíru. Jedna taková černá díra pochází z doby před zhruba 700 miliony let po Velkém třesku a měřila přibližně několik milionůkrát větší hmotnost než Slunce. Všechno to začalo pozorováním malých červených teček (LRD) pomocí JWST, které byly zaznamenány v první publikaci dat JWST v roce 2022. Tyto červeně zbarvené kompaktní objekty měly spektra ve tvaru písmene V a vykazovaly emisi z vysokorychlostního plynného vodíku. 

QSO1 s malou červenou tečkou (nebo Abell2744-QSO1) 

QSO1 (nebo Abell2744-QSO1) je prototyp malé červené tečky o průměru asi 1,300 světelných let a vzdálenosti více než 13 miliard světelných let. Existovala v raném vesmíru pouhých 700 milionů let po Velkém třesku. Je gravitačně čočkovaná galaktickou kupou Abell 2744 (Pandořina kupa), proto je zvětšená a trojnásobně zobrazená a objevuje se na třech různých místech na obloze. Díky tomu je QSO1 snáze studovatelná než většina ostatních malých červených teček. 

Detailní studium této malé červené tečky (LRD) vedlo vědce k závěru, že některé supermasivní černé díry byly od počátku obrovské. Vznikly bez fáze hvězdného kolapsu a bez výrazně hmotnější hostitelské galaxie, která by je živila. 

QSO je zkratka pro kvazihvězdný objekt (běžně označovaný jako kvasar). 

Počáteční studie ukázaly, že QSO1 je víc než jen oblak zářícího vodíku a helia obíhajícího kolem supermasivní černé díry o hmotnosti asi 40 milionůkrát větší než Slunce. Nicméně panovala nejistota, zda je skutečně tak hmotná. Důvodem bylo, že dosud byla všechna měření hmotnosti černých děr v raném vesmíru nepřímá, založená na předpokladech z toho, co o nich víme v lokálním vesmíru. Nevěděli jsme, zda tyto předpoklady skutečně platí pro raný vesmír. 

Vědci si uvědomili, že pokud je černá díra v QSO1 skutečně tak masivní, měli by být schopni použít integrální pole (IFU) na JWST ke sledování vlivů její gravitace na plyn vířící kolem ní a zároveň mapovat rozložení různých prvků v plynu. Proto využili pozorování IFU a zmapovali pohyby vodíku obklopujícího černou díru. 

Graf rychlosti rotace v závislosti na vzdálenosti od středu ukázal, že plyn se pohybuje podle Keplerova systému, což znamená, že většina hmoty malé červené tečky QSO1 je soustředěna v černé díře ve středu. Pokud by byla hmotnost rozložena, plyn by neobíhal kolem centrálního bodu dokonalým Keplerovským způsobem, stejně jako planety obíhají kolem Slunce ve sluneční soustavě. 

Vzhledem k tomu, že Keplerovský pohyb se řídí zákony gravitace, měření rychlosti plynu umožnila vědcům přímo vypočítat hmotnost černé díry. Jednalo se o první přímé měření hmotnosti černé díry v raném vesmíru. Bylo zjištěno, že černá díra QSO1 má hmotnost přibližně 50 milionů Slunců. Tato černá díra má také dvě třetiny celkové hmotnosti QSO1. To je velmi neobvyklé, protože supermasivní černé díry v blízkých galaxiích obvykle tvoří jen malý zlomek celkové hmotnosti hostitelské galaxie.

Analýza map složení IFU dále ukázala, že plyn v celé galaxii QSO1 je téměř výhradně tvořen vodíkem a héliem. Galaxie bohatá na hvězdy a hvězdné trosky by měla obsahovat těžší prvky, jako je kyslík, ale QSO1 má extrémně nízkou metalicitu, méně než 0.5 % Slunce, což naznačuje, že QSO1 má velmi nedotčené galaktické prostředí.

Obrovská hmotnost QSO1 v porovnání s hostitelskou galaxií naznačuje, že se nemohla zformovat postupným slučováním a „živením“ menších černých děr o hvězdné hmotnosti. Černá díra v galaxii Little Red Dot QSO1 zřejmě předchází procesu hvězdné evoluce. Mohla se vyvinout z těžkého semene, které vzniklo během první sekundy Velkého třesku (prvotní černá díra) nebo o něco později z kolapsu obřího oblaku plynu (černá díra s přímým kolapsem) a může být v raných fázích budování galaxie kolem sebe. V tuto chvíli není možné říci, zda je supermasivní černá díra v galaxii Little Red Dot QSO1 prvotní černou dírou (PBH) nebo černou dírou s přímým kolapsem (DCBH); existují však důkazy o nehvězdné formaci černých děr v raném vesmíru.

***

Reference: 

1. Maiolino R., et al 2026. Černá díra v téměř nedotčené galaxii 700 Myrů let po velkém třesku. Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti, svazek 548, číslo 1, květen 2026, staf2109. Publikováno 06. dubna 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. a kol. Přímé měření hmotnosti černé díry v malé červené tečce při vysokém rudém posuvu. Nature 653, 1017–1021 (2026). Publikováno 27. května 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Webb z NASA odhaluje černou díru, která vznikla před její galaxií. Zveřejněno 27. května 2026. Dostupné na https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Související články 

Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST): První vesmírná observatoř věnovaná studiu raného vesmíru (6. listopadu 2021)

Studium raného vesmíru: Experiment REACH k detekci nepolapitelné 21cm čáry z kosmického vodíku (3. srpna 2022)

Hnědí trpaslíci (BD): Dalekohled Jamese Webba identifikoval nejmenší objekt, který vznikl hvězdopodobně (5. ledna 2024)

Nejstarší černá díra z raného vesmíru zpochybňuje model vzniku černých děr (24. ledna 2024)

Raný vesmír: Nejvzdálenější galaxie „JADES-GS-z14-0“ zpochybňuje modely formování galaxií (12. srpna 2024)

Paradox hvězd bohatých na kovy v raném vesmíru (27. září 2024)

***