Наблюдения космического телескопа James Webb показали, что менее чем через миллиард лет после Большого взрыва во Вселенной уже существовало множество галактик с объектами, похожими на «зародыши» сверхмассивных чёрных дыр. Их раннее появление оказалось трудно объяснить традиционной моделью, согласно которой такие объекты возникают после гибели звёзд, а затем постепенно растут за счёт слияния чёрных дыр. Необычные данные заставили учёных искать альтернативный механизм формирования.
Одним из таких механизмов считается прямой коллапс (Direct-Collapse Black Hole, DCBH) крупных облаков холодного газа в центрах первых галактик. Международная группа астрономов изучила, какие условия могли способствовать этому процессу. Особое внимание исследователи уделили слияниям гало тёмной материи и космическим областям с высокой концентрацией газа, пыли и звёзд.
Работу возглавил научный сотрудник Института астрономии и Королевской обсерватории Эдинбургского университета Алессандро Тринка. В исследовании участвовали специалисты из нескольких астрономических институтов и университетов Италии, Австрии и Франции. Результаты опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Учёные построили подробные деревья слияний гало тёмной материи в рамках космологической модели ΛCDM. Для этого они использовали высокоточные моделирования методом частиц на основе кода GIZMO, а свойства обычного, или видимого, вещества в галактиках-предшественниках рассчитали с помощью полуаналитической модели Cosmic Archaeology Tool. Такой подход позволил проследить распространённость и расположение гало, способных породить чёрные дыры прямого коллапса, а также оценить условия их формирования в разные периоды космической истории.
Согласно расчётам, массивные «зародыши» чёрных дыр могли появляться уже 13,64 миллиарда лет назад — менее чем через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Процесс, вероятно, продолжался до периода около 13,5–13,4 миллиарда лет назад, когда межгалактическая среда начала обогащаться тяжёлыми элементами после взрывов первых звёзд третьего населения, что препятствовало дальнейшему прямому коллапсу.
Авторы считают, что полученные результаты поддерживают сценарий DCBH и дают основу для его проверки будущими наблюдениями James Webb. Обнаружение большого числа активных ядер галактик — спутников квазаров — в областях с повышенной плотностью вещества стало бы признаком того, что ранние массивные чёрные дыры преимущественно формировались в сильно сгруппированных и перенасыщенных средах. Рассчитанное количество таких объектов может использоваться как ориентир для будущих наблюдательных программ.