NASA的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了些潛在的暗星候選體。NASA、ESA、CSA和STScI

使用詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)在2025年初發(fā)現(xiàn)了三個不尋常的天文物體，它們可能是暗星的例子。暗星的概念已經(jīng)存在段時(shí)間了，可能會改變科學(xué)對普通恒星形成式的理解。不過，它們的名字有些誤。

暗星是那種不太恰當(dāng)?shù)拿Q之，從表面上看，它法準(zhǔn)確描述其所代表的物體。暗星并非嚴(yán)格意義上的恒星，而且它們肯定不暗。

盡管如此，這個名稱抓住了這現(xiàn)象的本質(zhì)。名稱中的暗并非指這些天體的亮度，而是指讓它們發(fā)光的過程——由種名為暗物質(zhì)的秘物質(zhì)驅(qū)動。這些天體的巨大尺寸使得它們難以被歸類為恒星。

作為名物理學(xué)，我直對暗物質(zhì)很著迷，并且直在嘗試用粒子加速器找到觀測其蹤跡的法。我很好奇暗星是否能為尋找暗物質(zhì)提供種替代法。

是什么讓暗物質(zhì)成為暗的呢？

暗物質(zhì)約占宇宙的27，卻法被直接觀測到，它是暗星現(xiàn)象背后的關(guān)鍵概念。天體物理學(xué)研究這種秘物質(zhì)已近個世紀(jì)，但除了其引力應(yīng)外，我們尚未發(fā)現(xiàn)任何直接證據(jù)。那么，是什么讓暗物質(zhì)暗呢？

盡管物理學(xué)對暗物質(zhì)了解不多，但它大約占宇宙的27。 來源：視覺資本科學(xué)圖片庫上海pvc排水管專用膠水，蓋蒂圖片社

人類主要通過探測各種物體發(fā)射或反射的電磁波來觀測宇宙。例如，月球能被肉眼看到是因?yàn)樗瓷涮柟狻Ｔ虑虮砻娴脑游諄碜蕴柕墓庾印垂獾牧Ｗ印略觾?nèi)的電子移動，并將部分光射向我們。

的望遠(yuǎn)鏡能探測可見光光譜之外的電磁波，比如紫外線、紅外線或線電波。它們運(yùn)用相同的原理：原子中帶電荷的成分會對這些電磁波產(chǎn)生反應(yīng)。但它們?nèi)绾文芴綔y到種物質(zhì)——暗物質(zhì)——它不僅不帶電荷，而且也沒有帶電荷的成分呢？

雖然科學(xué)們不知道暗物質(zhì)的確切質(zhì)，但許多模型表明它由電中粒子組成——即不帶電荷的粒子。這種特使得我們法用觀測普通物質(zhì)的式來觀測暗物質(zhì)。

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暗物質(zhì)被認(rèn)為是由自身即為反粒子的粒子構(gòu)成的。反粒子是粒子的鏡像版本。它們具有相同的質(zhì)量，但電荷和其他質(zhì)相反。當(dāng)個粒子遇到其反粒子時(shí)，兩者會相互湮滅并釋放出陣能量。

如果暗物質(zhì)粒子是自身的反粒子，它們在相互碰撞時(shí)就會湮滅，可能釋放出大量能量。科學(xué)預(yù)測，只要這些恒星內(nèi)部的暗物質(zhì)粒子密度足夠，這個過程就對暗星的形成起著關(guān)鍵作用。暗物質(zhì)密度決定了暗物質(zhì)粒子相互相遇和湮滅的頻率。如果暗星內(nèi)部的暗物質(zhì)密度很，它們就會頻繁湮滅。

什么讓暗星發(fā)光？

暗星的概念源于天體物理學(xué)中個基本但尚未解決的問題：恒星是如何形成的？在被廣泛接受的觀點(diǎn)中，大約138億年前宇宙大爆炸后初幾分鐘內(nèi)形成的化學(xué)元素——原始?xì)浜秃ぴ疲谝ψ饔孟绿s。它們升溫并引發(fā)核聚變，核聚變利用氫和氦形成了重的元素。這過程致了代恒星的形成。

恒星是在塵埃云向內(nèi)坍縮并圍繞個小而亮的致密核心凝聚時(shí)形成的。NASA、ESA、CSA、STScI、J.DePasquale（STScI），CCBYND

在恒星形成的標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)中，暗物質(zhì)被視為種被動元素，僅僅對周圍的切施加引力，包括原始的氫和氦。但如果暗物質(zhì)在這個過程中扮演積的角呢？這正是群天體物理學(xué)在2008年提出的問題。

在早期宇宙的致密環(huán)境中，暗物質(zhì)粒子會相互碰撞并湮滅，在此過程中釋放能量。這種能量可以加熱氫氣和氦氣，阻止其進(jìn)步坍縮，并延遲甚至阻止典型的核聚變點(diǎn)火。

其結(jié)果將是個類似恒星的天體——但它是由暗物質(zhì)加熱而非核聚變提供能量的。與普通恒星不同，PVC管道管件粘結(jié)膠這些暗星可能壽命長得多，因?yàn)橹灰鼈兂掷m(xù)吸引暗物質(zhì)，就會直發(fā)光。這特會使它們有別于普通恒星，因?yàn)樗鼈冚^低的溫度會致各種粒子的輻射量較低。

我們能觀測暗星嗎？

些特的特征有助于天文學(xué)識別潛在的暗星。先，這些天體須非常古老。隨著宇宙的膨脹，來自遠(yuǎn)離地球的天體的光的頻率會降低，向電磁波譜的紅外端移動，這意味著它會發(fā)生紅移。對觀測者來說，古老的天體紅移現(xiàn)象為明顯。

由于暗星由原始?xì)浜秃ば纬桑A(yù)計(jì)它們幾乎不含或不含氧等較重元素。它們體積會非常大，表面溫度較低，但亮度很，因?yàn)槠潴w積——以及發(fā)光的表面積——彌補(bǔ)了較低的表面亮度。

預(yù)計(jì)它們的體積也非常巨大，半徑約達(dá)數(shù)十個天文單位——天文單位是種宇宙距離度量單位，等于地球與太陽之間的平均距離。理論認(rèn)為，些大質(zhì)量暗星的質(zhì)量大約能達(dá)到太陽質(zhì)量的1萬至1000萬倍，具體數(shù)值取決于它們在成長過程中能夠積聚多少暗物質(zhì)以及氫或氦氣。

那么，天文學(xué)觀測到暗星了嗎？有可能。詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)揭示了些紅移的天體，它們似乎比科學(xué)預(yù)期的典型早期星系或恒星亮——也可能質(zhì)量大。這些結(jié)果使得些研究人員提出，暗星或許可以解釋這些天體。

如圖例所示，詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡能夠探測來自宇宙中各個天體的光線。 諾思羅普格魯曼公司美國國航空局

特別是，近項(xiàng)分析詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的研究確定了三個與大質(zhì)量暗星模型相符的候選對象。研究人員通過觀察這些天體所含的氦元素?cái)?shù)量來對它們進(jìn)行識別。由于是暗物質(zhì)湮滅為那些暗星加熱，而非核聚變將氦轉(zhuǎn)化為重的元素，所以暗星應(yīng)該含有多的氦。

研究人員強(qiáng)調(diào)，其中個天體確實(shí)呈現(xiàn)出了個潛在的確鑿證據(jù)般的氦吸收特征：其氦豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)于在典型早期星系中所預(yù)期的水平。

暗星可能解釋早期黑洞

暗星耗盡暗物質(zhì)時(shí)會發(fā)生什么？這取決于暗星的大小。對于輕的暗星來說，暗物質(zhì)的耗盡意味著引力會壓縮剩余的氫，引發(fā)核聚變。在這種情況下，暗星終會變成顆普通的恒星，因此有些恒星可能初是暗星。

大質(zhì)量暗星加令人著迷。在其生命周期結(jié)束時(shí)，死亡的大質(zhì)量暗星會直接坍縮成個黑洞。這個黑洞可能會啟動大質(zhì)量黑洞的形成過程，就像天文學(xué)在星系中心觀測到的那種，包括我們自己的銀河系。

暗星或許也能解釋早期宇宙中大質(zhì)量黑洞是如何形成的。它們可能有助于闡明天文學(xué)觀測到的些特黑洞。例如，星系UHZ1中的個黑洞質(zhì)量接近1000萬倍太陽質(zhì)量，而且非常古老——它在大爆炸后僅5億年就形成了。傳統(tǒng)模型難以解釋如此巨大的黑洞怎么能形成得這么快。

暗星的概念并未得到普遍認(rèn)可。這些暗星候選體終可能只是不尋常的星系。些天體物理學(xué)認(rèn)為，僅物質(zhì)吸積（大質(zhì)量天體吸引周圍物質(zhì)的過程）就可以形成大質(zhì)量恒星，而且利用詹姆斯韋布望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究法區(qū)分大質(zhì)量普通恒星和密度較低、溫度較低的暗星。

研究人員強(qiáng)調(diào)，他們需要多的觀測數(shù)據(jù)和理論進(jìn)展來解開這個謎團(tuán)。

相關(guān)知識

暗星是天文學(xué)理論中測存在的早期天體，可能形成于宇宙誕生初期。它與普通恒星依靠核聚變發(fā)光不同，暗星被認(rèn)為主要通過內(nèi)部暗物質(zhì)粒子湮滅釋放能量來維持亮度，其存在或能解釋宇宙早期某些結(jié)構(gòu)的形成，但目前尚未被直接觀測證實(shí)。

BY: Alexey A. Petrov

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