Астрономы, изучающие раннюю Вселенную, обычно ожидают увидеть небольшие галактики, молодые звёзды и чёрные дыры, находящиеся на начальных этапах роста. Однако, недавние наблюдения с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) выявили необычный объект — гигантскую чёрную дыру, существующую практически в одиночестве, в окружении крайне малого количества звёзд.

Этот объект обнаружен в галактике Abell 2744-QSO1, существовавшей всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Масса чёрной дыры уже тогда составляла около 50 миллионов масс Солнца. Красное смещение Abell 2744-QSO1 равно 6.82, что соответствует эпохе реионизации — периоду в истории Вселенной, когда нейтральный водород начал ионизироваться под воздействием излучения первых звёзд и галактик. Существование подобного объекта в столь раннюю эпоху ставит под сомнение базовые представления о формировании чёрных дыр и предполагает возможность, что некоторые из них могли образоваться ещё до появления первых звёзд.

Согласно стандартной астрофизической модели, чёрные дыры и звёзды тесно связаны. Звёзды формируются из коллапсирующих газовых облаков, а чёрные дыры появляются значительно позже, когда самые массивные звёзды исчерпывают своё топливо. Со временем чёрные дыры растут, поглощая газ и сливаясь с другими чёрными дырами. Этот процесс требует времени, поэтому астрономам трудно объяснить появление сверхмассивных чёрных дыр в столь ранней истории Вселенной.

Задача осложняется тем, что галактика QSO1 содержит очень мало звёздной массы, — недостаточно для объяснения присутствия такой большой чёрной дыры. Авторы работы считают, что это создаёт фундаментальное противоречие: чёрная дыра, по-видимому, достигла больших размеров, не сформировав вокруг себя полноценную галактику.

Для объяснения этого феномена учёные обратились к гипотезе о первичных чёрных дырах (primordial black holes, PBHs), предложенной ещё в 1970-х годах Стивеном Хокингом и Бернардом Карром. В отличие от чёрных дыр, образующихся из звёзд, первичные чёрные дыры могли возникнуть непосредственно из экстремальных колебаний плотности в ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва. Большинство таких чёрных дыр, если они и образовались, должны были быть крошечными и недолговечными.

Группа Боюаня Лю, научного сотрудника Кембриджского университета, провела новые, более сложные симуляции, чтобы проверить, могли ли некоторые из первичных чёрных дыр «выжить» и быстро расти при определенных условиях. В симуляциях учитывалось поведение газа вокруг первичной чёрной дыры, формирование звёзд поблизости и поступление вещества от звёздных взрывов обратно в чёрную дыру. Результаты симуляций хорошо согласуются с данными JWST, полученными для галактики QSO1, не только по конечной массе чёрной дыры, но и по малому количеству звёзд и химическому составу (типичные симуляции образования первичных чёрных дыр редко приводят к образованию объектов с массой более миллиона солнечных масс, что значительно меньше массы чёрной дыры в QSO1).

Полученные результаты не доказывают, что чёрная дыра в QSO1 образовалась как первичная чёрная дыра, но показывают, что такое происхождение согласуется с наблюдениями. В дальнейшем учёные планируют усовершенствовать свои симуляции и сравнить их с открытиями JWST.

Обнаружение большего количества галактик, подобных QSO1, может стать важным доказательством того, что некоторые из крупнейших чёрных дыр во Вселенной являются не конечным продуктом эволюции звёзд, а возникли на заре Вселенной. Однако, для подтверждения этой гипотезы необходимо решить ряд вопросов, например, объяснить, как первичные чёрные дыры могли вырасти до таких размеров.