Астрофизики полагают, что сверхмассивные чёрные дыры, наблюдаемые в современной Вселенной, сформировались в ходе долгого процесса последовательных слияний. Такая модель объясняет, каким образом отдельные объекты набирают массы в миллиарды солнечных. Отправной точкой для них служат «зародыши» — чёрные дыры звёздных масс.
Подобные зародыши возникают двумя путями. Первый — когда массивные звёзды с массой примерно от 8 до 50 солнечных исчерпывают топливо для термоядерных реакций: их ядра либо коллапсируют после взрыва сверхновой, либо сразу превращаются в чёрную дыру. Второй путь — слияние двух нейтронных звёзд. Между чёрными дырами звёздных масс и сверхмассивными объектами находятся чёрные дыры промежуточных масс — от примерно 100 до 100 000 солнечных.
Свидетельства существования таких промежуточных объектов пока немногочисленны, но встречаются регулярно. В работе 2024 года в качестве места их обитания рассматривалось шаровое скопление Омега Центавра на окраине Млечного Пути: движение группы быстрых звёзд в его центре можно объяснить только присутствием чёрной дыры массой около 8200 солнечных. Ещё одно подтверждение дали гравитационные волны: в 2020 году они показали слияние двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнечных, в результате которого возник объект примерно на 142 солнечные массы.
Где именно рождаются такие чёрные дыры? Часть из них должна была появиться в ранней Вселенной, чтобы стать зародышами для нынешних сверхмассивных гигантов. Ответ, возможно, даёт исследование «Массивные звёздные скопления, обнаруженные JWST, как естественные места формирования чёрных дыр промежуточных масс», опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysics. Его возглавила Виола Бокки из Римского университета Сапиенца.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» выявил плотные звёздные системы на больших красных смещениях, в том числе дугу Cosmic Gems (z ∼ 10,2) и галактику Firefly Sparkle (z ∼ 8,3). При массах от 105 до 107 масс Солнца и радиусах половинной массы около 0,4–15 парсека эти системы, по словам авторов, идеально подходят для формирования чёрных дыр промежуточных масс через столкновения. Свет Cosmic Gems телескоп увидел, когда Вселенной было лишь около 460 млн лет: там нашлись пять плотных скоплений. Firefly Sparkle, снятая примерно через 600 млн лет после Большого взрыва, содержит десять молодых массивных скоплений.
Из-за высокой плотности этих скоплений прямое моделирование движения каждой звезды было невозможно, поэтому учёные применили модель лавинных столкновений с учётом потери массы из-за звёздных ветров, а затем сверили расчёты с прямыми симуляциями компактных скоплений. Для Cosmic Gems оценки дали самые тяжёлые зародыши — от 1600 до 2700 солнечных масс: предельная компактность (радиус половинной массы около 1 парсека) и низкая металличность (Z ≲ 0,02 Z⊙) помогли сохранить массу, несмотря на звёздные ветры. В Firefly Sparkle скопления крупнее (4–6 парсека) и легче, поэтому их ядра менее массивны, а чёрные дыры лежат в диапазоне примерно 180–810 солнечных масс. В целом нижняя граница полученных масс сопоставима с чёрными дырами от гипотетических первых звёзд населения III, а верхняя заметно выше, что позволяет самым массивным скоплениям давать «тяжёлые зародыши» для сверхмассивных чёрных дыр на больших красных смещениях.
Прямых наблюдений чёрных дыр промежуточных масс «Джеймс Уэбб» не проводил, но работа описывает правдоподобную среду, где они могли возникать и затем расти до гигантов в центрах галактик вроде нашей. Результаты также могут объяснить «маленькие красные точки» телескопа, спектры которых часто связывают со сверхмассивными чёрными дырами: по мнению исследователей, плотные массивные скопления могли стать источником зародышей для них. Авторы оговаривают, что многие свойства скоплений, включая вращение и внутреннюю структуру, неизвестны, а начальная функция масс может быть смещена в сторону тяжёлых звёзд — это благоприятствовало бы образованию массивных чёрных дыр. Вывод работы таков: плотные скопления с низкой металличностью являются жизнеспособными «фабриками» тяжёлых зародышей, способных вырасти в сверхмассивные чёрные дыры ранней Вселенной.