詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）首次可能瞥見了一種罕見的恆星型別，天文學家甚至不確定其是否存在。這些被稱為暗星的恆星天體，其能量可能並非來自核聚變，而是來自暗物質的自湮滅——暗物質被認為是構成宇宙中約 85% 物質的不可見物質。科學家們需要更多的證據來證實 JWST 觀測到的候選者，但如果這些暗星是真實存在的，那麼這一發現可能會改變我們關於第一批恆星如何形成的故事。
與它們的名字相反，暗星可能比太陽亮十億倍，質量是太陽的一百萬倍。暗星從未被明確觀測到，但宇宙學模擬表明，它們應該在大爆炸後不久，由富含暗物質的原星系中心坍縮的純氫和氦雲形成。
2023 年 7 月，研究人員在《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA）上報告稱，JWST 觀測到的至少三個遙遠天體，此前被認為是星系，但實際上每個都可能是一顆超大質量的暗星。“如果你發現一種新型恆星，那將是巨大的發現，”德克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家、研究合著者 Katherine Freese 說。
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研究人員尚無法證明這些天體是暗星——只能證明它們的特徵與它們是暗星或由普通聚變驅動恆星組成的星系相符。科爾蓋特大學的天體物理學家、研究合著者 Cosmin Ilie 說，JWST 的技術足以完成這項工作。研究人員所需要的只是更多的觀測時間。“我們希望在我們有生之年，能用韋伯望遠鏡找到其中一顆暗星，”Ilie 說。
關於宇宙中第一批恆星是如何形成的，有兩種可能性。傳統的觀點是，這些早期恆星是“第三星族”恆星。這類恆星會像今天的恆星一樣，由核聚變提供能量，但它們幾乎不含金屬——在天文學中，金屬指的是比氦重的元素——因為這些元素在早期宇宙中尚未形成。
JWST 最初在 2022 年 12 月將這三個天體（JADES-GS-z13-0、JADES-GS-z12-0 和 JADES-GS-z11-0）識別為星系。一個團隊認為它們可能是“暗星”，這是一種由暗物質粒子湮滅提供能量的理論天體。
NASA，ESA
不過，還有另一種可能性。2008 年，Freese 和她的一些同事提出，宇宙中的第一批恆星可能由暗物質提供能量。暗物質是一種神秘的物質形式，不與電磁力相互作用；科學家們只因其引力效應而知曉它的存在，但他們不知道它是由什麼構成的。
在早期宇宙中，暗星可能由大爆炸中產生的氦和氫雲坍縮形成。如果暗物質粒子也是它們自身的反粒子，正如許多暗物質理論所假設的那樣，那麼在這些坍縮的雲團中，這些粒子會相互碰撞並自湮滅。碰撞會引發一系列粒子衰變，最終產生光子、正負電子對和中微子。只有中微子會真正離開雲團，因為它們幾乎不與物質相互作用。其他粒子會撞擊氫和氦，並將能量傳遞給這些物質，從而加熱雲團，併為恆星的形成和持續增長提供能量。
這些恆星會在“迷你暈”的中心形成，“迷你暈”是早期原星系，存在於大爆炸後 2 億年，早於比氦和氫更重的元素的出現。這些迷你暈幾乎完全由暗物質組成，使其內部條件成熟，可以為暗星提供能量。Freese 說，這種高濃度的暗物質是暗星只能在早期宇宙中形成的原因。
由於這些恆星相對較冷，並且不會像核聚變驅動的恆星那樣發射高能光子，因此它們可以不斷積累質量，在其生命週期內變得越來越大。
“現在你得到了一種奇怪的東西，”Freese 說。“它的表面溫度看起來像太陽，但亮度卻是太陽的十億倍。它可能和整個聚變驅動恆星星系的亮度一樣。”
在生命週期的盡頭，大型暗星會坍縮成巨大的黑洞。Ilie 說，這可能是對宇宙中觀測到的一些古老超大質量黑洞的潛在解釋，這些黑洞似乎太大，無法從聚變驅動的第三星族恆星如此迅速地形成。
為了尋找暗星，Freese、Ilie 和 Jillian Paulin（當時是 Ilie 的本科生之一）搜尋了 JWST 識別出的來自早期宇宙或近 140 億年前的天體目錄。他們只找到了其中九個天體的電磁輻射的充分資料。在這九個被認為對研究有用的天體中，有三個與暗星的外觀非常吻合。這些天體具有高紅移，意味著它們發出的光偏向電磁光譜的紅色一側，這是古老而遙遠天體的標誌。賓夕法尼亞大學的現任研究生 Paulin 說，這些光也可能來自單一的點光源，例如恆星，而不是模糊的星系。
研究人員目前還不能對這些天體說太多，因為他們對它們的觀測有限。暗星的“確鑿證據”將是電磁光譜中的一個小故障，表明特定氦同位素吸收了光，這應該只發生在暗星中，而不是星系中。Ilie 說，為了找到這個小故障，他們必須對這些單個天體進行數月的觀測，考慮到有多少研究人員正在使用 JWST 來解決一系列天體物理學問題，這並不現實。不過，該團隊可以判斷，如果這些天體是暗星，那麼其中兩個的質量約為太陽的百萬倍，其中一個的質量約為太陽的 50 萬倍。
該研究團隊已開始開發一種自動化方法，以搜尋更多暗星候選者，其中一些候選者可能需要較少的觀測時間來確認。“我預計會有更多的候選者，”Paulin 說。
猶他大學的理論粒子物理學家 Pearl Sandick 說，直接觀測到暗星將是“超乎想象”的驚人發現。她沒有參與這項研究。不過，還有其他方法可以尋找暗星，例如透過它們在宇宙微波背景中的特徵——宇宙早期高溫時遺留下來的微弱輻射。Sandick 說，發現暗星不僅能讓我們對宇宙的早期形成有新的認識，還能提供一個直接觀察暗物質相互作用的獨特機會。“觀測到這一點，”她說，“將真正為我們提供關於暗物質作為粒子的本質的新見解。”