韦布数据提出早期宇宙中可能存在暗星

据《夜空》杂志报道，研究詹姆斯·韦布空间望远镜观测数据的天文学家发现，有三个天体的光可能来自暗星，而不是普通的早期星系。不过，现有光谱还不够清晰，尚无法在这两种可能性之间作出判断。

这些天体来自韦布望远镜在2022年数据中发现的700个可能属于早期宇宙的天体。其中只有9个天体的光谱足够精确，能够进行详细辨识。由于其光线中包含多种元素的特征，其中一个已被确认是早期星系。另外三个仍有可能是暗星或星系，而其余天体的证据尚不足以确定其性质。

这一差别十分重要，因为暗星将为第一批大尺度结构如何形成提供不同的视角。它们还可能有助于解释，为何在宇宙历史如此早期就能看到质量极其巨大的黑洞。

一种不同的第一代恒星

暗星是第一代恒星的理论候选者，大约在大爆炸后2亿年出现。与普通的早期恒星一样，它们最初由大爆炸产生的氢和氦构成。不过，它们起初的能量来源并不是核聚变。

预计这些恒星会在年轻原星系的中心形成，那里的暗物质含量尤其丰富。随着氢气开始坍缩，暗物质粒子可能会彼此湮灭。由此产生的光子和其他粒子会被困在气体中，将暗物质的能量传递给正在形成的天体。

这种能量能够阻止坍缩，并形成一个类似恒星的天体。“暗星”这一名称指的是它的能量来源，而非外观：这些天体可能会异常明亮。它们的内部温度相对较低，与太阳表面温度相近，但其庞大的体积将使它们能够发出强烈光芒。

由于没有炽热表面产生的高能辐射，这种天体可以继续吸积物质。理论上的暗星最终可能达到太阳质量的约100万倍，亮度则约为太阳的10亿倍。在这种尺度下，一颗暗星的亮度可能与由众多普通恒星组成的年轻星系相当。

它们的寿命取决于能否获得暗物质供给。如果燃料充足，一颗暗星可能持续活跃数百万年甚至数十亿年。一旦离开高密度暗物质环境，其能量来源就会减弱，恒星便会开始收缩并升温。

韦伯望远镜面临的难题：恒星还是星系？

研究人员正利用恒星光与星系光之间的差异来检验这一设想。年轻星系应当包含许多恒星，因此其光谱中应该显示出一系列化学元素的证据。相比之下，暗星应该只由氢和氦构成。

在目前可获得的分辨率下，这两类天体都可能呈现为一个单独的光点。原则上，星系或许能通过其表观大小或形状提供更多信息，但由于距离极其遥远，这一点很难实现。因此，光谱学提供了更重要的检验手段；然而，对于韦布望远镜观测的三个目标，现有测量还不够有力。

《夜空》杂志就这项研究采访了凯瑟琳·弗里斯。她是温伯格理论物理研究所所长，也是德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学讲席教授。弗里斯专攻理论宇宙学和粒子天体物理学，并曾参与暗星解释的研究。

巨大黑洞的可能种子

暗星还可能将第一代恒星与在年轻宇宙中观测到的大质量黑洞联系起来。当一个富含暗物质的环境不再能够支撑一颗非常巨大的暗星时，它最终如何坍缩，取决于其质量。一颗质量较小的天体可能形成炽热的、由核聚变提供能量的核心；而一颗接近100万倍太阳质量的暗星则可能直接坍缩成黑洞。

天文学家已经发现了质量约为太阳10亿倍的黑洞，而它们出现于宇宙历史中出人意料的早期阶段。如果大量暗星产生了质量约为太阳100万倍的黑洞种子，这些种子就可能彼此合并，并最终形成后续观测到的超大质量黑洞。

下一次检验暗星解释的机会，可能来自被引力透镜放大的天体。当一个大质量天体位于地球与遥远天体之间时，它的引力会使后者的光线发生弯曲，并将其放大。对这类被自然放大的早期宇宙天体进行更好的观测，可能会提供更清晰的光谱，从而更容易确定这些候选者究竟是异常恒星，还是年轻星系。