Наблюдения космического телескопа James Webb (JWST) выявили сверхмассивные чёрные дыры, существовавшие уже через 400–500 млн лет после Большого взрыва. Их появление на столь раннем этапе развития Вселенной пока не имеет общепринятого объяснения. Одним из возможных механизмов могли стать многочисленные столкновения звёзд в плотных молодых скоплениях.
К такому выводу пришли исследователи во главе с докторанткой кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Клэр Уильямс. Их работа «Космологическая модель столкновений звёзд при большом красном смещении в протошаровых скоплениях, ядерных звёздных скоплениях и маленьких красных точках» опубликована в The Astrophysical Journal. Учёные использовали начальные параметры из космологических симуляций AREPO, а также данные JWST о ранних звёздных скоплениях и галактиках с большим красным смещением.
Моделирование охватывало разные типы скоплений, отличавшиеся дисперсией скоростей и распределением плотности. Для каждого варианта исследователи размещали 1000 звёзд в пределах одного парсека от центра. Это меньше числа звёзд в аналогичной области вокруг чёрной дыры в центре Млечного Пути: по некоторым оценкам, там их более 6000. Полученные результаты показали, что столкновения могут часто происходить в различных звёздных скоплениях и ядерных звёздных скоплениях.
В системах без чёрной дыры последовательные слияния способны привести к появлению сверхмассивных звёзд массой более 100 масс Солнца. «Perhaps the strangest outcome of our simulations is that stars can merge repeatedly within the cluster until they form one gigantic star with a mass equal to that of an entire cluster», — сказала Уильямс. В конце жизни такая звезда, согласно моделям, может коллапсировать и превратиться в массивную чёрную дыру. Ядерные звёздные скопления при этом напоминают структуру центра Млечного Пути, где чёрная дыра окружена плотным скоплением звёзд.
Другой сценарий возникает в скоплениях, где чёрная дыра уже присутствует. При столкновениях звёзды могут не объединяться, а разрушаться, превращаясь в газ. В результате вокруг чёрной дыры формируется плотная газовая среда, которая способна подпитывать её рост и одновременно скрывать рентгеновское излучение. По расчётам авторов, такой процесс может объяснить природу маленьких красных точек — компактных объектов, обнаруженных JWST в ранней Вселенной и, вероятно, представляющих собой быстро растущие чёрные дыры, окружённые большим количеством газа.
Исследование также связывает этот механизм с промежуточными чёрными дырами, которые тяжелее объектов звёздной массы, но легче сверхмассивных чёрных дыр. Плотные скопления могли стать местом их формирования, после чего слияния промежуточных чёрных дыр способствовали появлению ранних сверхмассивных объектов. «Dense star clusters provide a natural birthplace for massive black-hole seeds in our model», — отметила Уильямс. По словам соавтора работы, астрофизика Смадар Наоз, такая модель объединяет несколько подходов к объяснению маленьких красных точек; результаты опубликованы в The Astrophysical Journal.