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最近，科學(xué)家通過分析詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的圖像，確定了三個(gè)古老的天體可能是所謂的“暗星”—— 一種由暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的新型恒星。然而，不要讓這個(gè)名字欺騙了你。科學(xué)家認(rèn)為，這些暗星的亮度可超過太陽的 100 億倍。
文 | 陳強(qiáng)
暗物質(zhì)是一種神秘的不可見的物質(zhì)，它不與光和其他電磁輻射發(fā)生相互作用，這使得科學(xué)家只能通過暗物質(zhì)對(duì)可見物質(zhì)的引力效應(yīng)來推測(cè)其存在。
通過對(duì)引力透鏡效應(yīng)、星系內(nèi)恒星的運(yùn)動(dòng)、宇宙微波背景輻射等的觀測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)大量存在于星系、星系團(tuán)及宇宙中，其質(zhì)量遠(yuǎn)大于宇宙中全部可見物質(zhì)的質(zhì)量總和。最新的數(shù)據(jù)表明，整個(gè)宇宙的構(gòu)成中，常規(guī)物質(zhì)占 4.9%，而暗物質(zhì)則占 26.8%，剩下的 68.3% 是暗能量。
盡管暗物質(zhì)在宇宙中扮演著舉足輕重的角色，但它的物理起源仍然是未解之謎。科學(xué)家懷疑，暗物質(zhì)是由某種看不見的粒子組成的，這種粒子不反射光，也不吸收光，但能夠產(chǎn)生引力效應(yīng)。世界各地進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)正試圖探測(cè)到這種類型的粒子。其中，最有希望的候選者被稱為“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（WIMP）。
宇宙中有這么多的暗物質(zhì)，那么會(huì)不會(huì)產(chǎn)生由暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的恒星呢？
宇宙第一批恒星可能是暗星
我們知道，恒星的形成始于一個(gè)分子云，這是由氣體和塵埃組成的一大塊星際物質(zhì)。當(dāng)分子云中的某個(gè)區(qū)域在自身的引力作用下發(fā)生坍縮時(shí)，它的密度和溫度會(huì)逐漸升高，直到中心區(qū)域溫度足夠高，能讓分子云的氫發(fā)生核聚變。核聚變產(chǎn)生熱量會(huì)阻止分子云進(jìn)一步坍縮，此時(shí)，一個(gè)新的恒星就誕生了。
但在 2008 年，一些科學(xué)家提出，宇宙第一批形成的恒星不是由氫的核聚變驅(qū)動(dòng)的，而是由暗物質(zhì)湮滅驅(qū)動(dòng)的。這種恒星被稱為“暗星”。他們的理論基于這樣一個(gè)假設(shè)：暗物質(zhì)粒子的反粒子就是它本身。這樣，暗物質(zhì)粒子彼此發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生湮滅并產(chǎn)生熱量。
暗星具體的形成過程是這樣的：在宇宙早期原始星系的中心，會(huì)存在非常密集的暗物質(zhì)團(tuán)塊，以及由氫和氦為主要成分的分子云；當(dāng)分子云冷卻時(shí)，它會(huì)坍縮并隨之吸收暗物質(zhì)；隨著密度的增加，暗物質(zhì)粒子會(huì)更加頻繁地發(fā)生湮滅，產(chǎn)生的熱量會(huì)越來越多，這將阻止分子云進(jìn)一步坍縮。此時(shí)，暗星就形成了。
暗星的熱量來源將會(huì)均勻分布，而不是像普通恒星那樣集中在核心處。此外，與普通恒星不同的是，暗星將繼續(xù)聚集更多的氣體和暗物質(zhì)，變得比普通恒星更大、更亮。如果有足夠多的暗物質(zhì)，暗星可以增長(zhǎng)到太陽質(zhì)量的幾百萬倍，亮度可超過太陽的 100 億倍。這樣，如果我們用天文望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)的話，它們看起來更像星系。
暗星有助于破解多個(gè)宇宙謎題
最近，一組科學(xué)家分析了詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的圖像，發(fā)現(xiàn) 3 個(gè)最初被認(rèn)為是星系的天體，非常符合暗星的相關(guān)特征。
這 3 顆暗星候選者（JADES-GS-z13-0，JADES-GS-z12-0 和 JADES-GS-z11-0）最初于 2022 年 12 月被確定為星系。利用光譜分析，科學(xué)家確認(rèn)它們形成于宇宙大爆炸后約 3.2 億年到 4 億年之間，這使它們成為有史以來觀測(cè)到的最早的天體之一。
如果暗星的發(fā)現(xiàn)得到證實(shí)，那么這將會(huì)解決關(guān)于宇宙演化的一個(gè)疑團(tuán)。根據(jù)最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，宇宙最早一批的星系似乎比傳統(tǒng)的宇宙學(xué)模型更早地出現(xiàn)。大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)問題可以通過對(duì)理論進(jìn)行小幅修正來解決。但也許，這些所謂的星系只是極為明亮的暗星。因?yàn)榕c形成一個(gè)星系相比，形成一顆暗星的速度顯然會(huì)更快。
當(dāng)暗星耗盡自身的暗物質(zhì)時(shí)，它們就會(huì)坍縮成黑洞，這可能就是許多星系中心超大質(zhì)量黑洞的由來。所以說暗星的存在，還可以解釋宇宙中為什么有這么多的超大質(zhì)量黑洞。
當(dāng)然，最為關(guān)鍵的是，暗星有助于揭示暗物質(zhì)的本質(zhì)。但我們還不知道，暗物質(zhì)粒子的反粒子是否就是它本身。即便如此，以暗物質(zhì)湮滅為動(dòng)力的恒星是否能穩(wěn)定存在，也是一個(gè)問題。所以說，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)還存在很多的疑點(diǎn)。
不過，這些科學(xué)家認(rèn)為，如果這 3 個(gè)天體是暗星的話，那么它們的光譜應(yīng)該有著獨(dú)特的氦線。但到目前為止，詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡還未能給出這方面的數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家計(jì)劃在不遠(yuǎn)的將來，能利用該望遠(yuǎn)鏡對(duì)它們做進(jìn)一步的觀測(cè)。
參考文獻(xiàn)：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.051101
https://doi.org/10.1073/pnas.2305762120
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