詹姆斯·韦伯太空望远镜又立新功——发现了3个可能的“暗星”

“暗星”，是一种难以捉摸的由暗物质驱动的星系大小的物体，可以说是宇宙中最神秘的物体之一。

新的研究表明，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在2022年12月发现的三个最早期的天体可能不是星系，而是“暗星”——一种巨大、超亮的假想物体，它们不是由核聚变提供能量，而是由暗物质提供能量。如果这个理论是正确的，那么这可能最终帮助科学家更好地理解暗物质，这是宇宙中最神秘的成分之一。

“这些东西是由暗物质驱动的原子物质，一个超大质量的暗星可能和一个包含正常核聚变星的整个星系一样亮，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家凯瑟琳·弗里斯（Katherine Freese）在接受Live Science采访时说。弗里斯是7月11日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项新研究的主要作者。

根据理论，暗星与今天宇宙中存在的“普通”恒星相比是巨大的，比太阳的直径大数百倍。暗星主要由氢和一些氦组成，它们存在于原始星系中，当时宇宙中只有这两种元素；更重的元素还没有被恒星中的核聚变产生。然而，暗星大约千分之一的质量是由一个秘密的燃料来源组成的——暗物质。暗物质是一种几乎看不见的物质，因为它不与光相互作用，它占据了宇宙中85%的物质。理论认为，当两个暗物质粒子相撞时，它们可能会“湮灭”彼此，将它们合并后的质量转化为一阵充满能量的伽马射线辐射。

“如果暗物质是自我湮灭的，那么湮灭产物就会被困在这个由氢云组成的东西里面。”弗里斯说。“而这意味着你把原来存在于暗物质质量中的所有能量都倾倒到了这个云里。”

弗里斯补充说，“普通”的恒星依赖于高温，但暗物质湮灭可以在任何温度下发生。

“你可以想象，在早期宇宙中有很多这样由氢和少量氦组成、直径数百倍于太阳、包含一些暗物质的云，”弗里斯说。“这些云就是暗星的候选者。”

弗里斯和她的团队认为，他们可能已经在JWST的数据中找到了这样的候选者。JWST是一台价值100亿美元的红外望远镜，于2022年12月25日发射升空，目前正在向其最终轨道进发。该望远镜的主要目标之一是观测宇宙的早期阶段，当时第一批恒星和星系刚刚形成。

在JWST的首次观测中，科学家们发现了三个非常古老和遥远的天体，它们被认为是最早期的星系之一。这些天体距离地球约130亿光年，也就是说，我们看到的是它们在宇宙诞生后不久的样子。

然而，弗里斯和她的团队对这些天体进行了进一步的分析，发现它们可能不是星系，而是暗星。他们的线索来自于这些天体发出的光谱，即光线在不同波长上的强度分布。光谱可以揭示天体的化学成分、温度、密度等信息。

“我们发现这些天体的光谱非常奇怪，”弗里斯说。“它们没有任何重元素的迹象，只有氢和氦。”

这与普通星系不同，因为普通星系中包含了很多由恒星核聚变产生的重元素，如碳、氧、铁等。这些元素会在光谱中留下特征性的吸收或发射线。而这些天体的光谱却没有显示出任何这样的线条。

“我们认为这些天体可能是暗星，因为暗星只有氢和氦，”弗里斯说。“而且暗星会非常亮，因为暗物质湮灭会释放出大量能量。”

弗里斯说，如果这些天体真的是暗星，那么它们可能是目前已知最大和最亮的恒星之一。她估计它们的直径大约有1.5亿公里（9300万英里），相当于太阳直径的100倍；它们的亮度大约有太阳亮度的1000万倍。

“如果你把一个暗星放在太阳系中，它会覆盖整个水星轨道，”弗里斯说。“而且它会比太阳亮得多得多。”

弗里斯说，如果这些天体真的是暗星，那么它们可能只存在了几百万年就消失了。因为暗物质湮灭会消耗掉暗物质本身，导致暗星失去能量来源。而且随着宇宙膨胀和冷却，暗物质粒子之间相撞的概率也会降低。

“我们认为暗星只存在于早期宇宙中，当时暗物质密度更高，”弗里斯说。“现在我们看不到任何暗星了。”

弗里斯说，如果能证实这些天体是暗星，那么这将是对暗物质研究的一个重大突破。因为目前科学家还不知道暗物质究竟是什么，也不知道它是否真的能自我湮灭。暗星的存在和特征将为暗物质的性质提供重要的线索。

“如果我们能找到暗星，那就意味着暗物质是自我湮灭的，”弗里斯说。“这将是一个非常重要的发现，因为它将告诉我们暗物质是什么。”

弗里斯说，她和她的团队正在继续分析JWST的数据，以验证他们的假设。他们还希望JWST能够发现更多的暗星候选者，以便进行更多的观测和研究。

“我们很兴奋，因为这是一个全新的领域，”弗里斯说。“我们有可能发现一种从未见过的天体，也有可能揭开暗物质的奥秘。”