早期宇宙可能充满了暗物质星

暗物质驱动的暗星是可能存在于早期宇宙的假想天体。如果它们确实存在，这些神秘的庞然大物不仅会是宇宙中最先形成的恒星，还可能解释超大质量黑洞是如何开始形成的。

由暗物质驱动

所有普通恒星都以相同的方式产生能量：核聚变。恒星的质量如此之大，以至于它们时刻处于自身引力坍缩的边缘。但当引力挤压恒星时，会在恒星核心产生巨大的热量，将原子挤压在一起，释放出能量。这些能量产生的向外压力足以精确地抵消恒星的引力坍缩。

然而，暗星的故事却有些不同。

理论认为，暗星主要由与普通恒星相同的物质构成——即氢和氦。但由于这些假想的暗星形成于早期宇宙，当时宇宙的密度要大得多，因此它们很可能还含有少量但重要的暗物质，形式为弱相互作用大质量粒子（WIMP）——这是主要的暗物质候选者。人们认为这些WIMP本身就是其反物质粒子，并且它们可以相互湮灭，产生纯能量。在暗星内部，这些极强的WIMP湮灭可以提供足够的向外压力来阻止恒星坍缩，而无需核聚变。

根据暗星研究者凯瑟琳·弗里斯（Katherine Freese）——德克萨斯大学奥斯汀分校的Kodosky物理学名誉教授——的说法，WIMP仅占暗星总质量的0.1%左右。但仅这一点点WIMP燃料就可以让暗星持续运行数百万甚至数十亿年。

识别暗星

暗星的行为与普通恒星不同，它们的外观也不同。

由于暗星不依赖核心聚变来抵抗引力坍缩，因此它们不像普通恒星那样被高度压缩。相反，暗星可能是巨大的、蓬松的云团，发出的光芒极其明亮。弗里斯说，由于其庞大的体积，暗星的直径甚至可能达到约10个天文单位（AU），其中1 AU是地球与太阳之间的平均距离，即9300万英里（1.5亿公里）。

“只要有暗物质燃料，它们就能不断增长，”弗里斯说。“我们假设它们可以达到太阳质量的1000万倍，亮度是太阳的100亿倍，但我们并不真正知道。理论上没有上限。”

寻找暗星

然而，证明暗星确实存在的障碍之一是，这些反常明亮的物体依赖暗物质湮灭来维持自身。但这种湮灭主要发生在非常早期的宇宙，当时暗物质粒子靠得很近。所以，为了探测古代暗星，我们需要能够回溯极其遥远过去的望远镜。

幸运的是，据弗里斯说，即将投入使用的詹姆斯·韦伯太空望远镜应该能够探测到暗星——只要我们知道要寻找什么。

“它们看起来会与热恒星完全不同，”弗里斯告诉《Astronomy》杂志。“暗星是凉爽的（17,500华氏度/9,700摄氏度）。所以，从光的频率来看，它们会更像太阳，尽管它们要亮得多。这种冷而亮的组合很难用其他天体来解释。”

“一个全新的恒星类型可能在即将发布的数据中被发现，这是一个令人兴奋的前景，”弗里斯和她的同事在一篇综述文章中写道。

播下超大质量黑洞的种子

如果研究人员能够发现暗星存在的证据，这将改变我们对宇宙早期阶段的认识。暗星将迅速成为第一代恒星的主要候选者，这些恒星在大爆炸后约2亿年形成。

但暗星也可能解释宇宙学中最令人困扰的问题之一：超大质量黑洞是如何首次形成的？

“如果[韦伯望远镜]发现非常早期存在一颗质量为百万太阳质量的暗星，那么很明显，这样的天体会最终变成一个巨大的黑洞，”弗里斯说。“然后这些黑洞可以合并，形成超大质量黑洞。这是一个非常合理的设想！”

要了解更多关于暗星的信息，请参阅《Astronomy》杂志2018年10月刊的专题文章：“暗星进入视野”，或者弗里斯2016年发表在《Reports on Progress in Physics》杂志上的论文“暗星：一篇综述”。

编者注：本文已更新，以包含凯瑟琳·弗里斯目前的学术隶属关系。她现任职于德克萨斯大学奥斯汀分校。