JWST 可能已发现首批暗物质恒星

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）首次可能瞥见了一种罕见的恒星类型，天文学家甚至不确定其是否存在。这些被称为暗星的恒星天体，其能量可能并非来自核聚变，而是来自暗物质的自湮灭——暗物质被认为是构成宇宙中约 85% 物质的不可见物质。科学家们需要更多的证据来证实 JWST 观测到的候选者，但如果这些暗星是真实存在的，那么这一发现可能会改变我们关于第一批恒星如何形成的故事。

与它们的名字相反，暗星可能比太阳亮十亿倍，质量是太阳的一百万倍。暗星从未被明确观测到，但宇宙学模拟表明，它们应该在大爆炸后不久，由富含暗物质的原星系中心坍缩的纯氢和氦云形成。

2023 年 7 月，研究人员在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA）上报告称，JWST 观测到的至少三个遥远天体，此前被认为是星系，但实际上每个都可能是一颗超大质量的暗星。“如果你发现一种新型恒星，那将是巨大的发现，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家、研究合著者 Katherine Freese 说。

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研究人员尚无法证明这些天体是暗星——只能证明它们的特征与它们是暗星或由普通聚变驱动恒星组成的星系相符。科尔盖特大学的天体物理学家、研究合著者 Cosmin Ilie 说，JWST 的技术足以完成这项工作。研究人员所需要的只是更多的观测时间。“我们希望在我们有生之年，能用韦伯望远镜找到其中一颗暗星，”Ilie 说。

关于宇宙中第一批恒星是如何形成的，有两种可能性。传统的观点是，这些早期恒星是“第三星族”恒星。这类恒星会像今天的恒星一样，由核聚变提供能量，但它们几乎不含金属——在天文学中，金属指的是比氦重的元素——因为这些元素在早期宇宙中尚未形成。

不过，还有另一种可能性。2008 年，Freese 和她的一些同事提出，宇宙中的第一批恒星可能由暗物质提供能量。暗物质是一种神秘的物质形式，不与电磁力相互作用；科学家们只因其引力效应而知晓它的存在，但他们不知道它是由什么构成的。

在早期宇宙中，暗星可能由大爆炸中产生的氦和氢云坍缩形成。如果暗物质粒子也是它们自身的反粒子，正如许多暗物质理论所假设的那样，那么在这些坍缩的云团中，这些粒子会相互碰撞并自湮灭。碰撞会引发一系列粒子衰变，最终产生光子、正负电子对和中微子。只有中微子会真正离开云团，因为它们几乎不与物质相互作用。其他粒子会撞击氢和氦，并将能量传递给这些物质，从而加热云团，并为恒星的形成和持续增长提供能量。

这些恒星会在“迷你晕”的中心形成，“迷你晕”是早期原星系，存在于大爆炸后 2 亿年，早于比氦和氢更重的元素的出现。这些迷你晕几乎完全由暗物质组成，使其内部条件成熟，可以为暗星提供能量。Freese 说，这种高浓度的暗物质是暗星只能在早期宇宙中形成的原因。

由于这些恒星相对较冷，并且不会像核聚变驱动的恒星那样发射高能光子，因此它们可以不断积累质量，在其生命周期内变得越来越大。

“现在你得到了一种奇怪的东西，”Freese 说。“它的表面温度看起来像太阳，但亮度却是太阳的十亿倍。它可能和整个聚变驱动恒星星系的亮度一样。”

在生命周期的尽头，大型暗星会坍缩成巨大的黑洞。Ilie 说，这可能是对宇宙中观测到的一些古老超大质量黑洞的潜在解释，这些黑洞似乎太大，无法从聚变驱动的第三星族恒星如此迅速地形成。

为了寻找暗星，Freese、Ilie 和 Jillian Paulin（当时是 Ilie 的本科生之一）搜索了 JWST 识别出的来自早期宇宙或近 140 亿年前的天体目录。他们只找到了其中九个天体的电磁辐射的充分数据。在这九个被认为对研究有用的天体中，有三个与暗星的外观非常吻合。这些天体具有高红移，意味着它们发出的光偏向电磁光谱的红色一侧，这是古老而遥远天体的标志。宾夕法尼亚大学的现任研究生 Paulin 说，这些光也可能来自单一的点光源，例如恒星，而不是模糊的星系。

研究人员目前还不能对这些天体说太多，因为他们对它们的观测有限。暗星的“确凿证据”将是电磁光谱中的一个小故障，表明特定氦同位素吸收了光，这应该只发生在暗星中，而不是星系中。Ilie 说，为了找到这个小故障，他们必须对这些单个天体进行数月的观测，考虑到有多少研究人员正在使用 JWST 来解决一系列天体物理学问题，这并不现实。不过，该团队可以判断，如果这些天体是暗星，那么其中两个的质量约为太阳的百万倍，其中一个的质量约为太阳的 50 万倍。

该研究团队已开始开发一种自动化方法，以搜索更多暗星候选者，其中一些候选者可能需要较少的观测时间来确认。“我预计会有更多的候选者，”Paulin 说。

犹他大学的理论粒子物理学家 Pearl Sandick 说，直接观测到暗星将是“超乎想象”的惊人发现。她没有参与这项研究。不过，还有其他方法可以寻找暗星，例如通过它们在宇宙微波背景中的特征——宇宙早期高温时遗留下来的微弱辐射。Sandick 说，发现暗星不仅能让我们对宇宙的早期形成有新的认识，还能提供一个直接观察暗物质相互作用的独特机会。“观测到这一点，”她说，“将真正为我们提供关于暗物质作为粒子的本质的新见解。”