Астрономы при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб» определили, что квазар Abell2744-QSO1 из ранней Вселенной, с необычно массивной (по сравнению с массой родительской галактики) черной дырой, характеризуется крайне малой металличностью межзвездной среды. Это вписывается в модель зародыша черной дыры в виде первичной черной дыры, который мог образоваться в совсем ранней Вселенной. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.
К настоящему моменту известно заметное количество квазаров, существовавших в первый миллиард лет после Большого Взрыва и содержащих необычно массивные активные черные дыры, что порождает споры о том, как такие объекты могли достаточно быстро набрать массу. Теории, объясняющие возникновение таких черных дыр, включают в себя эпизоды аккреции со светимостью на уровне или выше предела Эддингтона, а также разнообразные зародыши, с которых стартует рост черной дыры. Они включают в себя черные дыры массой в 10−100 масс Солнца (результат гибели первых звезд во Вселенной), 100−1000 масс Солнца (рождаются в плотных ядерных звездных скоплениях) или 104−5 масс Солнца (возникают в ходе прямого коллапса массивных газовых облаков).
Существуют также и более экзотичные теории, предлагающие использовать в качестве зародышей сверхмассивных черных дыр из ранней Вселенной до сих пор не наблюдавшиеся, но предсказанные теоретически первичные черные дыры в сто и более масс Солнца. Считается, что такие объекты могли формироваться уже в очень ранней Вселенной (спустя секунды после Большого Взрыва) за счет гравитационного коллапса сверхплотных областей и ранее предлагались в качестве кандидатов в небарионную темную материю.
Группа астрономов во главе с Роберто Майолино (Roberto Maiolino) из Института космологии имени Кавли опубликовала результаты изучения свойств квазара Abell2744-QSO1, найденного ранее «Джеймсом Уэббом». Квазар характеризуется красным смещением 7,04 — он существовал спустя семьсот миллионов лет после Большого Взрыва. Abell2744-QSO1 находится за массивным скоплением галактик Abell 2744, создающим три изображения квазара за счет гравитационного линзирования. Более ранние исследования выявили внутри квазара очень массивную (1,5×107 масс Солнца) и активно растущую черную дыру, что делает объект потенциальным переходным звеном между зародышами сверхмассивных черных дыр и яркими квазарами.
Майолино и его коллеги проанализировали спектроскопические данные наблюдений прибора NIRSpec «Джеймса Уэбба», сосредоточившись на линиях излучения водорода и ионизированного кислорода для оценки металличности среды внутри родительской галактики квазара. Оказалось, что модели, подходящие под данные наблюдений, дают верхние пределы металличности центральной (менее 150 парсек от центра) области галактики на уровне 8 × 10−3 солнечной и более широкой (200 парсек от центра) области на уровне 6 × 10−3 солнечной. Если учесть, что динамическая масса галактики достаточно мала (не более 107,1−8 масс Солнца), то для большинства моделей роста сверхмассивных черных дыр становится затруднительно одновременно объяснить возникновение столь массивной черной дыры и крайне малую металличность межзвездной среды галактики, связанную со слабой эволюцией звездного населения.
По мнению ученых, объяснение свойств этой системы требуют особенного эволюционного пути, так как модели тяжелых зародышей или эпизодов суперэддингтоновской аккреции, скорее всего, повлекли бы за собой увеличение металличности межзвездной среды и могут воспроизводить наблюдаемые свойства квазара крайне редко. Исследователи предлагают использовать для Abell2744-QSO1 модель зародыша в виде первичной черной дыры, который будет обладать массой на уровне 106 масс Солнца при красном смещении 9-10. Предполагается, что это не одиночный объект и может существовать целая популяция подобных квазаров.
Текущие рекорды по удаленности для активных галактик и сближающимся парам сверхмассивных черных дыр принадлежат системам, существовавшим спустя 570 и 740 миллионов лет после Большого Взрыва. А рекордно далекая известная на сегодняшний день галактика существовала спустя всего 280 миллионов лет после Большого Взрыва. Кстати, все эти системы тоже нашел «Джеймс Уэбб».