質量是太陽十億倍或更大的黑洞位於許多星系的中心，驅動著它們的自轉和發展。在今天，大爆炸後約140億年，這很常見，但在早期宇宙中，這樣的超大質量黑洞非常罕見——或者至少應該是罕見的。宇宙年齡不到十億年時就存在超大質量黑洞的證據讓科學家們感到困惑，因為當前的恆星演化理論表明，這樣的巨型黑洞需要更長的時間才能成長。現在看來，這個謎團可能由一種神秘物質——暗物質來解開。
早期超大質量黑洞的謎題在2003年開始顯現，當時斯隆數字巡天發現了大約六個這樣的黑洞。根據傳統思維，第一批普通恆星誕生於宇宙大約2億年時，但考慮到當時的宇宙狀態，它們最多可能形成質量約為太陽100倍的黑洞。合併並形成斯隆巡天觀測到的十億年曆史、十億太陽質量的巨獸需要太長時間。
密歇根大學安娜堡分校的理論物理學家凱瑟琳·弗里斯和她的同事們說，暗物質可以解決這個難題。這種看不見但透過引力展示其存在的物質，至少佔宇宙物質的80%（約佔整個宇宙的四分之一）。但科學家們不確定暗物質究竟是由什麼構成的。領先的假設候選者包括弱相互作用的大質量粒子，稱為中性微子。當它們相遇時，它們可以相互湮滅，產生熱量、伽馬射線、中微子和反物質粒子，如正電子和反質子。
支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
弗里斯和她的同事們計算出，當宇宙只有8000萬到1億年時，當原恆星氣體雲試圖冷卻和收縮時，它們的引力會吸引中性微子，這些中性微子會相互湮滅，釋放能量，從而創造出第一批恆星。他們將這些天體稱為“暗星”，由暗物質而非正常恆星中的核能提供能量。
他們最初的發現暗示，暗星會比普通恆星小得多。由於暗星不需要普通恆星中看到的高密度，普通恆星依賴於原子核被強制在一起進行聚變，因此它們會更蓬鬆，最大的暗星寬度可達太陽的約20萬倍。科學家們還估計，暗星較冷的表面溫度將允許它們增長到太陽質量的1000倍，而當前恆星的質量上限約為太陽質量的150倍。
弗里斯和她的同事們計劃將他們的分析提交給天體物理學雜誌，他們認為暗星在耗盡燃料並坍縮之前，可能已達到10萬太陽質量或更多。他們分析了中性微子流入暗星並被原子捕獲的頻率，得出結論，暗物質粒子可以為暗星的生長提供比最初認為的更長時間的燃料。
在超大質量暗星耗盡暗物質後，它們會收縮，引發核聚變，並作為普通恆星繼續存在約一百萬年。弗里斯說，這些恆星不會變成超新星——“它們太大了”——相反，它們會坍縮成質量相同的黑洞。其中一些黑洞可能會在大爆炸後的十億年內合併成巨型黑洞。
超大質量暗星的亮度將是太陽的十億倍，但仍能以我們太陽的溫度發出黃光。弗里斯希望詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（目前計劃於2014年發射）能夠看得足夠遠，以探測到這種蓬鬆的巨星。但是，現在不太可能形成暗星，因為現在暗物質的密度平均只有暗星存在時期的1/8000，當時宇宙要緊湊得多。
並非所有人都相信暗星是真實存在的。密歇根州立大學的天體物理學家布萊恩·奧謝認為，這個想法依賴於太多關於暗物質性質的假設——例如，如果暗物質是由另一種理論粒子（稱為隱形軸子，它不會自湮滅）構成的，則暗星可能無法形成。
儘管如此，德克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家保羅·R·夏皮羅認為，暗星“是暗物質合理模型的合理結果”。如果科學家們確實發現了暗星，它們可能不僅有助於闡明黑洞，還有助於暗示暗物質實際上可能是什麼。“如果暗星確實存在，那將非常酷，”奧謝指出。