詹姆斯韦伯望远镜瞥见了可能的第一颗暗星

由于核聚变，原子融合在一起并释放能量，星星从黑暗的太空中发出明亮的光芒。但如果有另一种方式为明星提供动力呢?

由三名天体物理学家组成的团队——德克萨斯大学奥斯汀分校的 Katherine Freese 与科尔盖特大学的 Cosmin Ilie 和 Jillian Paulin ’23 合作，分析了詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的图像，发现了三个明亮的物体，它们可能是“暗星，理论上比我们的太阳更大、更亮的物体，由暗物质粒子湮灭提供动力。如果得到证实，暗星可以揭示暗物质的本质，这是所有物理学中最深奥的未解决问题之一。

温伯格理论物理研究所所长、杰夫·科多斯基和盖尔·科多斯基教授的物理学主席弗里斯说：“发现一种新型恒星本身就非常有趣，但如果发现它是暗物质为其提供动力，那就意义重大了。”在德州大学奥斯汀分校。

尽管暗物质约占宇宙的 25%，但它的本质却一直困扰着科学家。科学家认为它由一种新型基本粒子组成，并且正在寻找探测此类粒子的工作。其中领先的候选者是弱相互作用的大质量粒子。当它们碰撞时，这些粒子会自行湮灭，将热量沉积到塌陷的氢云中，并将它们转化为明亮的暗星。超大质量暗星的识别将为根据观测到的特性了解暗物质提供可能性。

该研究发表在《国家科学院院刊》上。

詹姆斯韦伯太空望远镜对这些天体光谱特性的后续观测——包括某些频段光强度的下降或过量——可能有助于确认这些候选天体是否确实是暗星。

确认暗星的存在也可能有助于解决 JWST 提出的一个问题：宇宙中似乎有太多太早的大型星系，不符合宇宙学标准模型的预测。

“更有可能的是，标准模型中的某些内容需要调整，因为像我们那样提出全新的东西总是不太可能，”弗里斯说。“但是，如果其中一些看起来像早期星系的物体实际上是暗星，那么星系形成的模拟与观测结果更加吻合。”

这三颗候选暗星(JADES-GS-z13-0、JADES-GS-z12-0 和 JADES-GS-z11-0)最初于 2022 年 12 月被 JWST 高级深河外巡天 (JADES)识别为星系。JADES 团队通过光谱分析证实，这些天体是在大爆炸后约 3.2 亿年至 4 亿年的时间里被观测到的，这使它们成为迄今为止所见到的最早的天体之一。

“当我们查看詹姆斯·韦伯的数据时，这些物体有两种相互竞争的可能性，”弗里斯说。“其中之一是它们是包含数百万颗普通三族恒星的星系。另一个是它们是暗星。不管你信不信，一颗暗星的光芒足以与整个星系竞争。”

理论上，暗星的质量可以达到太阳质量的几百万倍，亮度可以达到太阳的一百亿倍。

“我们早在 2012 年就预测，通过 JWST 可以观测到超大质量暗星，”科尔盖特大学物理和天文学助理教授伊利 (Ilie) 说。“正如我们最近发表的《国家科学院院刊》文章中所示，在分析经柯蒂斯-莱克等人光谱证实的四个高红移 JADES 天体的 JWST 数据时，我们已经发现了三个超大质量暗星候选者，我相信我们很快就会 发现更多。 ”

暗星的想法起源于弗里斯和道格·斯波利亚尔(Doug Spolyar)之间的一系列对话，道格·斯波利亚尔当时是加州大学圣克鲁斯分校的研究生。他们想知道：暗物质对宇宙中第一批形成的恒星有何作用?然后他们联系了犹他大学的天体物理学家保罗·贡多洛(Paolo Gondolo)，他加入了团队。经过几年的发展，他们于2008年在《物理评论快报》杂志上发表了第一篇关于这一理论的论文。

弗里斯、斯波利亚尔和贡多洛共同开发了一个模型，其内容如下：在早期原星系的中心，会有非常密集的暗物质团块，以及氢和氦气云。当气体冷却时，它会塌缩并随之吸入暗物质。随着密度的增加，暗物质粒子会越来越多地湮灭，增加越来越多的热量，这将阻止气体一路塌缩成足够致密的核心来支持普通恒星的聚变。相反，它会继续聚集更多的气体和暗物质，变得比普通恒星更大、更蓬松、更亮。与普通的恒星不同，它的力量源泉会均匀分布，而不是集中在核心。有了足够的暗物质，

这项研究的资金由能源部高能物理项目办公室和斯德哥尔摩大学奥斯卡·克莱因宇宙粒子物理中心的 Vetenskapsradet(瑞典研究委员会)提供。