Когда космический телескоп Джеймса Уэбба направил свои мощные инструменты на раннюю Вселенную, учёные были удивлены полученными результатами. На высоких значениях красного смещения (z), соответствующих периоду менее одного миллиарда лет после Большого взрыва, астрономы обнаружили множество галактик, в которых, судя по всему, находились «зародыши» сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД). Существование столь массивных чёрных дыр на столь раннем этапе истории Вселенной противоречило принятым моделям их формирования, согласно которым звёзды коллапсируют в конце своей жизни, образуя чёрные дыры, постепенно сливающиеся в СМЧД.
Это заставило астрономов рассмотреть иной сценарий, при котором массивные облака холодного газа собирались в центре ранних галактик и коллапсировали, формируя чёрные дыры — так называемый сценарий прямого коллапса (Direct-Collapse Black Hole, DCBH). Однако многие вопросы о среде, в которой возникали такие объекты, остаются без ответа. Чтобы разобраться в этом, международная группа астрономов изучила, как слияния тёмной материи и области космоса с повышенной концентрацией газа, пыли и звёзд (космические сверхплотности) создают благоприятные условия для появления «зародышей» СМЧД.
Исследование возглавил Алессандро Тринка, постдокторский исследователь Института астрономии и Королевской обсерватории Эдинбургского университета. Вместе с ним работали специалисты из Центра астрофизики на озере Комо, Астрономической обсерватории Рима и Обсерватории астрофизики и космических исследований Болоньи (обе — INAF), Института науки и технологий Австрии (ISTA), Института астрофизики, Школы перспективных исследований Сапиенца и ряда университетов. Статья с описанием их работы опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
В основе работы команды лежит понятие деревьев слияний тёмной материи (Dark Matter, DM). В рамках космологической модели Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) предполагается, что гало тёмной материи формировались путём слияния более мелких сгустков. Это перекликается с ранними теориями образования СМЧД, которые связывали их появление со слияниями чёрных дыр звёздных масс и промежуточных масс. Команда объединила высокоразрешающие N-телесные симуляции таких деревьев с полуаналитической моделью формирования чёрных дыр и совместной эволюции галактик.
Историю слияний гало моделировали с помощью космологического программного обеспечения на базе частичного кода GIZMO. Затем проводились симуляции барионной (то есть «видимой») материи во всех гало-предшественниках с использованием Cosmic Archaeology Tool (CAT) — полуаналитической модели, применяемой для интерпретации свойств наблюдаемых источников на высоких красных смещениях и проверки различных сценариев эволюции чёрных дыр. Как отметила команда, это позволило проследить распространённость, пространственное распределение и условия среды гало, способных формировать DCBH на протяжении космической истории, а также изучить зависимость этих тенденций от конкретных физических требований к образованию тяжёлых зародышей. На основе этого исследователи сосредоточились на предсказании наблюдаемых признаков популяции потомков DCBH, которые, как ожидается, находятся вблизи квазаров на красном смещении z ~7 (12,9 миллиарда лет назад).
Результаты показали, что массивные зародыши чёрных дыр могли возникать путём прямого коллапса уже 13,64 миллиарда лет назад (менее чем через 500 миллионов лет после Большого взрыва). Этот процесс продолжался примерно до 13,5–13,4 миллиарда лет назад, после чего обогащение межгалактической среды (IGM) металлами, вызванное взрывами сверхновых самых первых звёзд населения III, должно было подавить дальнейшие эпизоды прямого коллапса. Эти результаты укрепляют позиции сценария DCBH и открывают возможности для будущих обзоров с помощью JWST. По заключению команды, их работа даёт теоретическую основу для проверки условий, благоприятствующих формированию тяжёлых зародышей, и для оценки роли прямого коллапса как пути к популяции СМЧД, наблюдаемой на очень высоких красных смещениях. Возможное выявление большой популяции кандидатов в активные ядра галактик — спутников квазаров в будущих обзорах станет сильным указанием на то, что раннее формирование массивных чёрных дыр преимущественно происходит в сильно скученных, сверхплотных областях, а предсказанное здесь число обнаружимых систем послужит конкретным ориентиром для предстоящих наблюдательных кампаний.