黑暗中闪耀：暗星如何照亮早期宇宙_生活快讯

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2026-02-04 21:01:45

NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜发现了一些潜在的暗星候选体。NASA、ESA、CSA和STScI

使用詹姆斯韦伯太空望远镜的科学家在2025年初发现了三个不寻常的天文物体，它们可能是暗星的例子。暗星的概念已经存在一段时间了，可能会改变科学家对普通恒星形成方式的理解。不过，它们的名字有些误导性。

暗星是那种不太恰当的名称之一，从表面上看，它无法准确描述其所代表的物体。暗星并非严格意义上的恒星，而且它们肯定不暗。

尽管如此，这个名称抓住了这一现象的本质。名称中的暗并非指这些天体的亮度，而是指让它们发光的过程——由一种名为暗物质的神秘物质驱动。这些天体的巨大尺寸使得它们难以被归类为恒星。

作为一名物理学家，我一直对暗物质很着迷，并且一直在尝试用粒子加速器找到观测其踪迹的方法。我很好奇暗星是否能为寻找暗物质提供一种替代方法。

是什么让暗物质成为暗的呢？

暗物质约占宇宙的27%，却无法被直接观测到，它是暗星现象背后的关键概念。天体物理学家研究这种神秘物质已近一个世纪，但除了其引力效应外，我们尚未发现任何直接证据。那么，是什么让暗物质暗呢？

尽管物理学家对暗物质了解不多，但它大约占宇宙的27%。来源：视觉资本家科学图片库，盖蒂图片社

人类主要通过探测各种物体发射或反射的电磁波来观测宇宙。例如，月球能被肉眼看到是因为它反射太阳光。月球表面的原子吸收来自太阳的光子——即光的粒子——导致原子内的电子移动，并将部分光射向我们。

更先进的望远镜能探测可见光光谱之外的电磁波，比如紫外线、红外线或无线电波。它们运用相同的原理：原子中带电荷的成分会对这些电磁波产生反应。但它们如何能探测到一种物质——暗物质——它不仅不带电荷，而且也没有带电荷的成分呢？

虽然科学家们不知道暗物质的确切性质，但许多模型表明它由电中性粒子组成——即不带电荷的粒子。这种特性使得我们无法用观测普通物质的方式来观测暗物质。

暗物质被认为是由自身即为反粒子的粒子构成的。反粒子是粒子的镜像版本。它们具有相同的质量，但电荷和其他性质相反。当一个粒子遇到其反粒子时，两者会相互湮灭并释放出一阵能量。

如果暗物质粒子是自身的反粒子，它们在相互碰撞时就会湮灭，可能释放出大量能量。科学家预测，只要这些恒星内部的暗物质粒子密度足够高，这个过程就对暗星的形成起着关键作用。暗物质密度决定了暗物质粒子相互相遇和湮灭的频率。如果暗星内部的暗物质密度很高，它们就会频繁湮灭。

什么让暗星发光？

暗星的概念源于天体物理学中一个基本但尚未解决的问题：恒星是如何形成的？在被广泛接受的观点中，大约138亿年前宇宙大爆炸后最初几分钟内形成的化学元素——原始氢和氦云，在引力作用下坍缩。它们升温并引发核聚变，核聚变利用氢和氦形成了更重的元素。这一过程导致了第一代恒星的形成。

恒星是在尘埃云向内坍缩并围绕一个小而亮的致密核心凝聚时形成的。NASA、ESA、CSA、STScI、J.DePasquale（STScI），CCBYND

在恒星形成的标准观点中，暗物质被视为一种被动元素，仅仅对周围的一切施加引力，包括原始的氢和氦。但如果暗物质在这个过程中扮演更积极的角色呢？这正是一群天体物理学家在2008年提出的问题。

在早期宇宙的致密环境中，暗物质粒子会相互碰撞并湮灭，在此过程中释放能量。这种能量可以加热氢气和氦气，阻止其进一步坍缩，并延迟甚至阻止典型的核聚变点火。

其结果将是一个类似恒星的天体——但它是由暗物质加热而非核聚变提供能量的。与普通恒星不同，这些暗星可能寿命长得多，因为只要它们持续吸引暗物质，就会一直发光。这一特性会使它们有别于普通恒星，因为它们较低的温度会导致各种粒子的辐射量较低。

我们能观测暗星吗？

由于暗星由原始氢和氦形成，预计它们几乎不含或完全不含氧等较重元素。它们体积会非常大，表面温度较低，但亮度很高，因为其体积——以及发光的表面积——弥补了较低的表面亮度。

预计它们的体积也非常巨大，半径约达数十个天文单位——天文单位是一种宇宙距离度量单位，等于地球与太阳之间的平均距离。理论认为，一些超大质量暗星的质量大约能达到太阳质量的1万至1000万倍，具体数值取决于它们在成长过程中能够积聚多少暗物质以及氢或氦气。

那么，天文学家观测到暗星了吗？有可能。詹姆斯韦伯太空望远镜的数据揭示了一些极高红移的天体，它们似乎比科学家预期的典型早期星系或恒星更亮——也可能质量更大。这些结果使得一些研究人员提出，暗星或许可以解释这些天体。

如图例所示，詹姆斯韦布空间望远镜能够探测来自宇宙中各个天体的光线。诺思罗普格鲁曼公司美国国家航空航天局

研究人员强调，其中一个天体确实呈现出了一个潜在的确凿证据般的氦吸收特征：其氦丰度远远高于在典型早期星系中所预期的水平。

暗星可能解释早期黑洞

暗星耗尽暗物质时会发生什么？这取决于暗星的大小。对于最轻的暗星来说，暗物质的耗尽意味着引力会压缩剩余的氢，引发核聚变。在这种情况下，暗星最终会变成一颗普通的恒星，因此有些恒星可能最初是暗星。

超大质量暗星更加令人着迷。在其生命周期结束时，死亡的超大质量暗星会直接坍缩成一个黑洞。这个黑洞可能会启动超大质量黑洞的形成过程，就像天文学家在星系中心观测到的那种，包括我们自己的银河系。

暗星或许也能解释早期宇宙中超大质量黑洞是如何形成的。它们可能有助于阐明天文学家观测到的一些独特黑洞。例如，星系UHZ1中的一个黑洞质量接近1000万倍太阳质量，而且非常古老——它在大爆炸后仅5亿年就形成了。传统模型难以解释如此巨大的黑洞怎么能形成得这么快。

暗星的概念并未得到普遍认可。这些暗星候选体最终可能只是不寻常的星系。一些天体物理学家认为，仅物质吸积（大质量天体吸引周围物质的过程）就可以形成大质量恒星，而且利用詹姆斯韦布望远镜观测数据进行的研究无法区分大质量普通恒星和密度较低、温度较低的暗星。

研究人员强调，他们需要更多的观测数据和理论进展来解开这个谜团。