揭秘“暗星”

Ker Than　文　Shea　译

也许大爆炸之后由暗物质驱动的奇异恒星会率先形成。

[图片说明]：版权：Sky & Telescope/Casey Reed。

科学版的《创世纪》告诉我们，宇宙起源于137亿年前，而宇宙中的第一代“居民”——恒星——则要等到大爆炸之后大约1亿年才会闪亮登场。即便根据恒星的标准，第一代恒星也都是“巨人”。它们要比现如今的任何一颗恒星都更大、更亮、燃烧得也更快。

不过，如果有关恒星形成的一个新理论是正确的话，那么第一代恒星会比科学家们先前想象得还要更奇特，原因就在于它们和暗物质之间的相互作用。暗物质是一种不可见的“物质”，它们占据了宇宙物质的80%。

类似我们太阳的恒星通过把较轻的元素聚变成较重的来与其自身巨大的引力相抗衡免于坍缩。但物理学中一些最流行的理论认为，组成暗物质的粒子同时也是自身的反粒子。这就带来了一种有趣的可能性，第一代恒星的能源可以源自聚集在其核心处的暗物质的自湮灭过程。这些“暗星”的温度要比由核聚变维系的恒星低，但个头会更为庞大。“它们仍然是恒星，主要由氢和氦组成。暗物质的比重小于总质量的1%，”美国密歇根大学的Katherine Freese说。

Freese和美国犹他大学的Paolo Gondolol以及加州大学圣克鲁兹分校的Doug Spolyar一起于2006年首次研究了暗星。他们说，如果暗星存在，它们会通过推迟第一代“正常”恒星——被称为星族Ⅲ——的形成10亿年来改变早期宇宙中的化学组成。暗星同时还能解释为什么超大质量黑洞能在大爆炸之后不久如此快速地形成。

什么是暗物质？

 

科学家还没有确认暗物质粒子的属性，但许多物理学家认为它们是弱相互作用大质量粒子。超对称理论预言了这些飘渺的粒子，它同时还提出所有已知的粒子都具有大质量的伙伴粒子，其中的绝大部分自大爆炸以来就已经衰变了。因为幸存的弱相互作用大质量粒子和会普通物质仅仅通过弱核力和引力——自然界中最弱的两种力——发生相互作用，所以要想探测这些粒子是极其困难的。

暗星演化

在大爆炸之后，宇宙是一片由均匀分布的粒子组成的海洋，没有结构，没有光亮。这些粒子中有一小部分是我们熟悉的普通重子物质，但其余的绝大部分则是暗物质。随着时间的流逝，暗物质粒子并合形成了复杂的蛛网状结构，其中的细丝会相交形成结点——暗物质晕。受到大质量晕的引力吸引，重子物质会沿着这些纤维状结构运动，并且在晕中聚集成气体云。它们会在自身的引力作用下坍缩成发光的气体结，形成第一代的原恒星。随着原恒星质量的增大，体积会不断减小，直到它们的核心达到了能启动核聚变的临界密度和温度。

在这一标准图像中，暗物质晕就是恒星的温床，正是在那里重子物质得以聚集并最终孵化出恒星，不过暗物质并没有直接影响恒星的形成。然后，Freese以及同事提出的计算机模型正在挑战这一观点。“在标准模型中，一片原恒星云会坍缩直到它体积、密度和温度足以点燃核聚变，”Freese说，“我们要说的是，这里存在一个中间阶段，在很长的一段时间里暗物质可以为它提供能量。”

在这部修改过的恒星演化史中，暗物质不再仅仅是第一代恒星登场演出的背景。早期宇宙中暗物质的空间密度要比现在的高得多，因为当时的宇宙仍处于膨胀的早期比现在要小得多。因此第一代恒星会沉浸在暗物质中。像风一样，暗物质也会吹拂着第一代恒星。第一代原恒星会吸引暗物质粒子并把它们聚集到自己的核心。如果原恒星中暗物质的密度超过了一定的阈值，这些粒子就会碰撞并且自湮灭发射出高能光子、中微子和电子。在暗物质自湮灭的过程中，物质会以比普通核反应高得多的效率转化成能量，因此少量的暗物质就能为整颗恒星提供能量。

重要的是，暗物质的“燃烧”可以阻止原恒星进一步引力坍缩，在它的核能引擎被启动前的胚胎期使之“冻结”。结果是，暗星会异常的庞大，比正常的星族Ⅲ还要巨大。它们的直径可以从1个天文单位（日地平均距离）到大约30个天文单位——相当于从太阳到海王星的距离。同时，鉴于一颗正常的星族Ⅲ恒星可以达到100个太阳质量，最近的研究认为，最大的暗星质量也许会在1,000～10,000个太阳质量之间。暗星看上去会呈类似太阳的橙黄色，但由于其巨大的表面积它们中最大的可能会比太阳亮上十亿倍。“相比之下，标准星族Ⅲ恒星的温度会更高、颜色也更蓝，”Freese说。

 

[图片说明]：恒星比较。恒星的特征由它们的组成、质量和能源决定。诸如暗星和红超巨星这样巨大的恒星都具有强劲的能源，由此来使得它们的大气膨胀，进而表面看上去温度较低。“暗星”这个名字其实并不恰当。由于它们巨大的表面积，它们的亮度可以相当于几百万个太阳。类似暗星，星族Ⅲ恒星也只存在于早期宇宙中，但它们由核聚变驱动而不是暗物质湮灭。版权：Sky & Telescope/Casey Reed。

计算机模拟预言，只要周围暗物质密度足够高，暗星就可以存在。在最差的情况下，暗星应该可以存在大约100万年。如果暗物质晕非常大或者有从外界来的暗物质粒子注入，它们甚至可以存在数十亿年。一些原初的暗星还有可能幸存至今。“我们也许会发现这些仍然在发光的第一代恒星。那就太棒了，”美国斯坦福大学的Igor Moskalenko说。

宇宙的结果

一旦暗物质能源被耗尽，暗星的命运将取决于它的质量。仅有几百个太阳质量的暗星在用完暗物质储备之后会“解冻”。它们会转变为正常的由核聚变驱动的恒星，并且继续存在上几百万左右，直到超新星爆发把自身的重元素播撒到宇宙中去。

但是对于最大质量的暗星要想重回普通恒星的生活却是不可能的。它们令人难以置信的质量会使得它们直接坍缩成黑洞。暗星因此可以解释类星体——中心具有超大质量黑洞的明亮星系——是如何在大爆炸之后仅数亿年就已经存在的，这比目前绝大部分的理论预言都要早。“在目前的理论中，如果没有暗星，一个只有几个太阳质量的黑洞没有足够的时间能成长为可以解释类星体所需的百万太阳质量的黑洞，”Gondolo说。

暗星也许还在终结宇宙的黑暗时代上发挥了作用。宇宙的黑暗时代是大爆炸之后的一个完全黑暗时期，新生的氢和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照标准理论，需要不同代恒星和星系的紫外光来瓦解或者电离这些原子，使得宇宙变得透明。但暗星可以造就出更大、更强劲的由聚变产能的恒星，这可以加速宇宙再电离的过程。Freese说，暗星还可以通过推迟标准星族Ⅲ恒星的形成来推迟再电离。“我对此无所适从，”她说，“暗星会影响再电离，但我们并不知道它会朝哪个方向发展。”

 

[图片说明]：暗星的生命循环。1.早期宇宙中暗物质沿着纤维结构聚集；2.重子物质沿着这些纤维流动并且在引力作用下并合成大型的气体云；3.暗物质和重子物质在这些气体云中一起坍缩。重子物质冷却并且吸引暗物质；4.气体云在引力作用下坍缩形成第一代恒星；5a. 最大的暗星最终坍缩成大质量黑洞，它们是星系中央超大质量黑洞的种子；5b.较小的暗星最终耗尽暗物质，随后改由核聚变驱动；6. 当核燃料用完后，这些恒星会以标准的核心坍缩型超新星爆发；7.这些超新星中的一些最终会形成恒星质量的黑洞。版权：Sky & Telescope/Casey Reed。

美国哈佛大学史密松天体物理中心的Lars Hernquist说，暗星无疑会改变很多事情。“因为这些恒星是寿命远比1百万年长得多的辐射源，那么早期宇宙看上去就会大为不同，”他说。

但Hernquist也补充说，虽然暗星很有趣，但它们也还是猜测，“因为科学家所使用的模型利用了一些假设，而且他们的计算也相当地简单。”

例如，史密松天体物理中心的Avi Loeb说，暗物质晕稠密的中心区域——被称为尖点——在和重子物质的相互作用中很容易就能被瓦解。“除非有三维数值模拟能坚实地证明这些尖点的存在，否则我不相信暗星会真实存在，”Loeb说。

寻找暗星

暗星的首个证据也许并不会来自计算机模型，而是来自天文学家。法国巴黎天体物理研究所的Fabio Iocco认为，暗星会推迟标准星族Ⅲ恒星的超新星爆发几千万到几亿年。“最好的证据也许就是能找到由于暗星机制而导致的星族Ⅲ超新星爆发的推迟，”Iocco说。科学家怀疑，如果这一推迟时间足够长，未来的空间望远镜就能观测到第一代的超新星爆发。

下一代卫星也许还能探测到早已消失的原初暗星所发出的光。理论预言，来自早期暗星的光在到达我们这里的时候会被“移动”到远红外波段。“我们寄希望于詹姆斯·韦布空间望远镜上的红外探测器，但暗星最终也有可能太暗而无法被它探测到，”Gondolo说，“因此我们还在探索其他方法。”

另外，空间探测器还可以寻找一直幸存至今的、被冻结的暗星。质量以及化学组成和由聚变驱动的恒星一样，但暗星的体积会更大、温度也会更低。它们的温度会和太阳类似，但亮度大约是太阳的100万倍。如果天文学家发现一颗恒星具有这些奇特的性质，它就有可能是自宇宙创生至今一直陪伴在我们身边的这些天体存在的证据。

Ker Than是居于美国纽约的科学新闻记者。