Raadselachtige rode stipjes in beelden van de James Webb-ruimtetelescoop zijn waarschijnlijk jonge superzware zwarte gaten, verborgen achter dikke cocons van gas.
Een ‘klein rood stipje’ (midden) uit het vroege heelal, zoals gezien door de James Webb-ruimtetelescoop van NASA. NASA/ESA/PRIMER (Dunlop et al. 2021)]
De afgelopen jaren staan astronomen voor een kosmisch raadsel dat voor het eerst werd onthuld door de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) van NASA. Overal waar JWST in de verre diepten van de hemel keek, ontdekte het iets onverwachts: heldere, opvallend compacte stipjes, diep robijnrood van kleur. Ze kwamen voor uit een tijd dat ons heelal nog maar enkele honderden miljoenen jaren oud was. Deze rode stipjes waren overal aanwezig in beelden van het vroege heelal. Maar rond twee miljard jaar na de oerknal verdwenen ze net zo raadselachtig weer uit het zicht.
Vervolgonderzoek naar deze ‘kleine rode stipjes’ (KRS) maakte het mysterie alleen maar groter. Ze leken veel te massief en ontwikkeld om vroege sterrenstelsels te zijn, die helder zouden schijnen door zwermen pasgeboren sterren. Tegelijkertijd straalden ze niet de röntgen- en radiogolven uit die normaal wijzen op superzware zwarte gaten die zich voeden met gas en stof. Een tijd lang leken de KRS de bestaande kosmologie te tarten, omdat ze vrijwel elke verwachting uit goed onderbouwde theorieën in twijfel trokken.
Cocons
Maar nu lijkt er een verklaring in zicht te komen. Woensdag verscheen in Nature een studie gebaseerd op diepgaandere en tijdrovendere JWST-waarnemingen van een dozijn kleine rode stipjes, waarbij hun licht werd gesplitst in de afzonderlijke kleuren, oftewel spectra. De resultaten versterken het idee dat deze objecten in feite gigantische, groeiende zwarte gaten zijn. Dat zou verklaren waarom de ogenschijnlijk ontbrekende röntgen- en radiostraling van deze objecten niet werd waargenomen: ze zouden verscholen zitten achter dikke cocons van geïoniseerd gas. Zwarte gaten die zich voeden met materie zenden doorgaans ook veel ultraviolette straling uit, afkomstig van de witheet opgewarmde schijven van materiaal die zich rond hun onverzadigbare kern opstapelen. Bij de KRS zou dat ultraviolette licht door de cocons filteren en als zichtbaar licht naar buiten sijpelen, waardoor ze hun karakteristieke rode gloed krijgen. Naarmate de zwarte gaten groeien en hun gasrijke cocons opslokken, zouden de KRS vanzelf vervagen.
Als dit beeld door aanvullend onderzoek wordt bevestigd, zouden de kleine rode stipjes een nieuwe, tot nu toe onbekende fase kunnen vertegenwoordigen in het leven van superzware zwarte gaten en meteen ook het vroegste stadium waarin we ze ooit hebben waargenomen.
‘Die cocon zorgt ervoor dat deze zwarte gaten rood lijken en verhindert dat een groot deel van hun straling kan ontsnappen. Dat verklaart ook waarom ze zo compact ogen’, zegt hoofdauteur Vadim Rusakov, astrofysicus aan de Universiteit van Manchester. In dit scenario verhullen de cocons niet alleen de zwarte gaten, maar doen ze ook zwaarder lijken dan ze werkelijk zijn. Elektronen in de omhulling van geïoniseerd gas verstrooien het uitgaande licht namelijk op een manier die lijkt op de straling van veel massievere objecten. Wanneer de onderzoekers voor dat effect corrigeren, blijkt dat de zwarte gaten in de kleine rode stipjes een massa hebben tussen 100.000 en 10 miljoen keer die van de zon, bescheiden aantallen vergeleken met volgroeide superzware zwarte gaten, die tot miljarden zonsmassa’s kunnen wegen. ‘De gedetailleerde fysica binnen zo’n gascocon is nog volop onderwerp van onderzoek’, zegt Rusakov. ‘Maar we denken nu dat het grootste raadsel is opgelost: kleine rode stipjes herbergen vrijwel zeker groeiende zwarte gaten.’
Een dozijn stipjes
Toch is niet elke astronoom ervan overtuigd dat de zaak daarmee is afgerond. Van de vele kleine rode stipjes die JWST heeft waargenomen, bestudeert de studie in Nature er slechts een dozijn in detail. Het is dus mogelijk dat vervolgwaarnemingen van een veel grotere steekproef zullen uitwijzen dat het niet om één en hetzelfde type object gaat. Misschien zijn sommige inderdaad ingekapselde zwarte gaten, zoals de studie suggereert, terwijl andere iets heel anders blijken te zijn.
Rodrigo Nemmen, astrofysicus aan de Universiteit van São Paulo en auteur van een begeleidend commentaar bij de Nature-studie, deelt grotendeels de interpretatie van Rusakov en zijn team. Het werk noemt hij ‘een belangrijke stap vooruit’, met een model dat ‘elegant is en veel losse eindjes aan elkaar knoopt’. ‘Kleine rode stipjes leken vroeger te wijzen op of een onwaarschijnlijk efficiënte vorming van sterrenstelsels, of op onverklaarbaar zware zwarte gaten die zomaar uit het niets opdoken in het jonge heelal. In beide gevallen klopte er iets niet met onze modellen.’ Nu de geschatte massa’s in de Nature-studie lager uitvallen, passen eventuele zwarte gaten in de kleine rode stipjes veel beter binnen bestaande theorieën.
Die conclusies komen volgens Rohan Naidu, astrofysicus aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en zelf onderzoeker van kleine rode stipjes, niet helemaal onverwacht. Op dezelfde dag in maart 2025 verscheen niet alleen een preprint van de Nature-studie online, maar ook die van twee andere onderzoeken naar deze objecten: één onder leiding van Naidu zelf en een ander onder leiding van Anna de Graaff van het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. Alle drie de studies kwamen met complementaire resultaten die erop wijzen dat kleine rode stipjes superzware zwarte gaten zijn, ingekapseld in dikke gaswolken. Ook aanvullend theoretisch werk van onderzoekers over de hele wereld heeft dat idee verder versterkt.
Net als veel van zijn collega’s is Naidu inmiddels zo overtuigd van die interpretatie dat hij de kleine rode stipjes liever ‘zwartegatsterren’ noemt, vanwege de onderliggende fysica. ‘Ze stralen in feite als enorme sterren’, zegt hij, al kunnen ze tot een biljoen keer helderder zijn. ‘In plaats van kernfusie, die bij onze zon de gasbol in stand houdt, is het hier een razendsnel groeiend zwart gat waarvan de straling deze structuur aandrijft.’
Nieuwe vragen
Toch blijven er, ondanks de groeiende consensus, nog belangrijke vragen onbeantwoord.
De kern van het debat draait volgens Nemmen om de vraag hoeveel geïoniseerd gas zo’n cocon precies bevat, en in welke mate elektronenverstrooiing daardoor de meting van de werkelijke massa van het verborgen zwarte gat verstoort. Het interpreteren van de spectrale gegevens van JWST is, zo zegt hij, ‘berucht lastig’: zelfs kleine aanpassingen in de analyse kunnen leiden tot aanzienlijk andere massaschattingen. In theorie zouden die zo ver kunnen dalen dat de aanwijzingen voor verborgen zwarte gaten veel zwakker worden.
Zo’n scenario acht Rusakov echter onwaarschijnlijk. Daarvoor zijn er volgens hem te veel onafhankelijke aanwijzingen die elkaar ondersteunen en ontbreekt er bovendien een ander geloofwaardig mechanisme dat alle puzzelstukjes rond de kleine rode stipjes netjes in elkaar laat passen. ‘Zonder het geïoniseerde gas klopt de data simpelweg niet’, zegt hij.
En zelfs als het raadsel van de kleine rode stipjes nu is opgelost en het heersende kosmologische model overeind blijft, roept dat meteen nieuwe vragen op. ‘Kunnen we met JWST nog kleinere zwarte gaten vinden in het vroege heelal? Beginnen ze piepklein en groeien ze geleidelijk, of worden ze al verrassend groot geboren?’, vraagt Rusakov zich af. ‘Kleine rode stipjes zouden wel eens onze beste kans kunnen zijn om dat te ontdekken.’
Vertaling: Robin Hanssens
