韦布望远镜发现的“暗星”到底是什么？暗物质组成的恒星？

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众所周知恒星主要是通过内部的核聚变来发光发热，不过近些年有科学家预言，在宇宙的早期可能有那么一类“恒星”，它们的个头巨大但内部却没有聚变发生，为其提供能量的不是普通物质，而是体内的暗物质。由于表面温度很低，我们只能看到它们发出微弱的亮光，因此科学家称其为 —— 暗星。

前面说过，现如今的宇宙学模型仍然存在一些问题，比如早期星系为何意外成熟、超大质量黑洞是如何在短时间内形成的等等。解决这些问题目前主要有两个方向：一个是针对具体的问题打补丁，一个是从根上对宇宙学模型打补丁。前不久那个“宇宙年龄翻倍”的事属于后者，而今天要说的这个“暗星”就属于前者。

由于每一代的恒星所包含的金属元素占比不同，目前我们为恒星划分了三个“辈分”：

（注意：1、天文上的“金属”通常指代除氢、氦以外的其他元素；2、这里的“辈分”并不是严格的世代交替，更多是用来划分年龄段）

1、和我们太阳一样，属于最晚的一代（相当于孙子辈），部分原材料经历了多代恒星加工，因此富含金属元素，这类恒星被称为“第一星族星”；

2、比孙子辈恒星更早的一代，关键材料只来源于初代恒星的超新星爆发，因此只含有少量金属元素，这类恒星被称为“第二星族星”；

3、大爆炸后的第一批恒星，除了氢和氦以外没有任何金属元素，这类恒星被称为“第三星族星”（相当于是爷爷辈）。

目前第一星族星随处可见，第二星族星也是偶有发现，但这第三星族星却至今仍未露面。

然而在 2007 年，这次科学家又预言了一种比爷爷辈的第三星族星更老的“恒星”。严格来说这种“恒星”已经不能称其为恒星，由于没有核聚变，这意味着它不符合传统恒星的定义。但是换个角度来看，它或许是恒星在宇宙尺度演化的真正第一阶段，所以我愿称其为 ——“始祖星”。

大爆炸伊始，当宇宙中氢和氦刚刚形成之时，由暗物质构成的物质骨架已经初见端倪。很快在暗物质的引力作用下，大量的氢和氦如同血肉开始附着在骨架之上。

随后在暗物质较为密集的地方，星系开始慢慢形成。而在星系的中心，由于暗物质更为密集，大量的氢和氦在这里聚集成团并且越积越多、越变越大。

虽然这团云最先是由暗物质触发，但是随着氢和氦的聚集，普通物质的占比变得越来越大，直至占到这团气体的 99.9% 以上。

此时该气体团的质量可以达到百万乃至千万个太阳，直径更是可以达到上千个天文单位。这个个头，即使是恒星界的巨无霸史蒂文森 2-18 来了，那也得喊声“大佬”。

单从质量来看，即使是爷爷辈的第三星族星，顶多也就几百倍太阳质量。对于这种几百万倍太阳质量的天体，按理来说它早就应该向内坍缩并引发核心的聚变反应了。但是由于体内那 0.1% 的暗物质，事情开始向不一样的方向发展。

通常来说，暗物质究竟是什么目前仍然不得而知，它有可能是一种东西，也有可能是许多东西的共同作用结果。而这次研究人员选定的是一种被称为“中性微子”的候选粒子。

作为一种由超对称理论预言的假想粒子，中性微子也被称为超中性子。这是一种电荷为零、反粒子就是其自身的费米子，也就是传说中的马约拉纳费米子。

由这种粒子构成的暗物质粒子，当密度足够高时，由于反粒子就是其自身，正反物质相遇会发生特殊的湮灭反应。该反应会产生相应的伽马射线并释放出特殊的高能电子等粒子。目前包括“悟空号”在内的许多暗物质探测器，都是希望通过捕捉到这种具有特殊能谱的电子或者伽马射线，来间接发现暗物质粒子。

话说回来，那个百万倍太阳质量的云团内部为何没能发生聚变，原因就在于它内部的暗物质粒子发生了湮灭反应。

原本云团的物质在巨大的引力作用下应该会向内塌陷，随着物质持续向内塌陷，云团核心部位的物质密度变得足够高、压强足够大，此时在量子隧穿的作用下，氢原子之间开始出现核融合，于是聚变便开始了。

但是因为湮灭反应的加入，物质向内塌陷的趋势被湮灭反应释放的能量给抑制住了。本应由核聚变承担的事，现在被湮灭反应提前抗下了。

此时这团云表现出了类似恒星但又和恒星完全不同的特征。类似恒星的地方是：它也能发光，虽然这个光不是由核聚变产生；不同的地方是：虽然能发光但是这个光却十分微弱（当然是相对于它那百万倍太阳的质量而言）。

通常来说，恒星质量越大外界看起来也就越亮。像我们的太阳，它的表面大约有 6000 度，而这个百万倍太阳质量的“恒星”，它的表面温度却只有区区 10000 度。这个温度产生的光亮对于遥远的我们来说，几乎啥也看不到，这也是它的名字“暗星”的由来。

明白了吧，暗星可不是说一个完全由暗物质构成的“暗物质星”。虽然它确实也和暗物质有关，但暗物质仅仅是为这种星提供了能量来源。

由于仅靠 0.1% 的暗物质湮灭产生能量，暗星的温度非常低，因此亮度也不高，但好在它的个头足够大，所以整体的光度仍然非常高，甚至可以达到 100 亿个太阳的光度。所以呢，理论上只要有足够强大的红外探测能力，我们还是有机会发现它们的。

这不，2023 年 6 月，一篇发表在《美国科学院院报》上的文章表示，研究人员从韦伯（韦布）望远镜发现的几百个潜在高红移天体中，最终锁定了三颗暗星的候选者。

不过目前对它们的分析主要还是围绕在光度方面，并没有十分强有力的证据。研究人员后续还会对这三颗候选暗星的光谱进行详细分析，以证明它们是否符合暗星理论的相关特征。

假如暗星真的存在，它能解决什么问题呢？

由于暗星体内的暗物质含量很少，随着其逐渐耗尽，构成暗星的普通物质开始继续向内坍缩，直至引发内部的核聚变。

这对于质量较小的暗星来说可能是个好消息，因为此后它们可以“弃暗投明”正式“转正”成真正的恒星。至此宇宙才迎来了第一批恒星，也就是第三星族星。

然而对于大质量的暗星来说，形势就不容乐观了。足够大的质量使得它们的引力塌陷已经势不可挡，核聚变提供的那点能量犹如螳臂当车，最终所有物质将坍缩成一个点，于是一个拥有百万乃至千万倍太阳质量的黑洞便形成了。

作为日后星系中心超大质量黑洞的种子，这种由暗星转变的黑洞确实是一种短时间内形成大质量黑洞的解决方案。所以关于“超大质量黑洞起源”的猜测，从此便又多了一种可能性。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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