Астрофизики считают, что сверхмассивные черные дыры, которые мы наблюдаем в современной Вселенной, появились в результате длительного процесса слияний. Эта модель объясняет, каким образом некоторые из них набирают массу в миллиарды солнечных. Отправной точкой для таких объектов служат «семена» — черные дыры звездной массы. Они возникают, когда массивные звезды от 8 до 50 солнечных масс исчерпывают топливо и коллапсируют, а также при слиянии двух нейтронных звезд.
Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными находятся промежуточные черные дыры массой примерно от 100 до 100 тысяч солнечных. Наблюдательных подтверждений их существования пока немного, но они накапливаются. Так, в работе 2024 года скопление Омега Центавра на окраине Млечного Пути рассматривалось как местонахождение такой дыры: движение быстрых звезд в его центре можно объяснить только присутствием объекта массой около 8200 солнечных. Еще одно свидетельство дали гравитационные волны: в 2020 году волны показали слияние двух черных дыр массой 85 и 66 солнечных в объект примерно на 142 солнечные массы.
Где именно рождаются промежуточные черные дыры, остается вопросом. Часть из них должна была сформироваться в ранней Вселенной, чтобы стать зародышами нынешних сверхмассивных гигантов. Ответ, возможно, нашли авторы исследования, опубликованного в журнале Astronomy and Astrophysics под руководством Виолы Бокки из Римского университета Сапиенца. Космический телескоп James Webb обнаружил плотные звездные системы на больших красных смещениях, включая дугу Cosmic Gems (красное смещение около 10,2) и Firefly Sparkle (около 8,3).
Дуга Cosmic Gems представляет собой гравитационно линзированную галактику, свет которой шел к нам, когда Вселенной было всего около 460 миллионов лет. Телескоп James Webb разглядел в ней пять плотных молодых массивных скоплений. В галактике Firefly Sparkle, снятой примерно через 600 миллионов лет после Большого взрыва, таких скоплений насчитали десять. По словам исследователей, при массах от 105 до 107 солнечных и радиусах половинной массы около 0,4–15 парсека эти системы идеально подходят для формирования промежуточных черных дыр через столкновения.
Из-за высокой плотности скоплений прямое моделирование движения тел оказалось неприменимым. Ученые использовали модель, основанную на лавинных столкновениях и потере массы из-за звездных ветров, а затем сверили результаты с расчетами для компактных скоплений. Расчеты дали типичные массы промежуточных черных дыр от примерно 102 до 4 × 103 солнечных. Самые тяжелые зародыши, от 1600 до 2700 солнечных масс, получились в скоплениях Cosmic Gems: их крайняя компактность и низкая металличность не дали звездным ветрам унести слишком много массы.
В Firefly Sparkle скопления крупнее при меньшей общей массе, поэтому их ядра легче и лавинные столкновения дают черные дыры лишь от 180 до 810 солнечных масс. Авторы отмечают, что верхняя граница масс позволяет самым крупным скоплениям производить объекты в категории «тяжелых семян», что полезно для роста сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Сами промежуточные черные дыры телескоп не наблюдал, но результаты показывают правдоподобную среду для их появления. По словам исследователей, плотные бедные металлами скопления могут быть фабриками тяжелых зародышей, из которых вырастают сверхмассивные черные дыры.