宇宙探秘 韋伯望遠鏡發現“暗物質星”？

暗物質是宇宙裏最神祕的存在之一 佔宇宙總質能的85%,卻看不見摸不着 天文學家們琢磨了幾十年都沒完全搞懂 最近詹姆斯《微博空間望遠鏡》傳來可能改寫天文史的消息 或許找到了靠暗物質功能的特殊天體——暗星 暗星和我們熟悉的太陽、北斗星完全不一樣 它們不靠核聚變發光,亮度卻能超過整個星系 質量能達到太陽的百萬倍 誕生在宇宙剛出生1億到4億年的早期階段 要是發現最終得到證實 不僅能刷新我們對宇宙早期樣貌的認知 還可能解開超大質量黑洞怎麼來的早期星系 爲何長得這麼快等困擾學界多年的難題 聽到暗星,很多人可能會以爲是熄滅的死星 但事實剛好相反 它們是宇宙早期可能存在的超級發光體 要理解暗星,得先打破一個常識 不是所有恆星都靠核聚變獲取能量 我們熟悉的太陽 核心溫度高達1500萬攝氏度 氫原子在這種極端環境下聚變成氦 釋放出光和熱,這就是核聚變功能 但暗星的能量來源完全是另一套邏輯 靠暗物質的湮滅 天文學家推測,暗物質粒子會通過弱核粒相互作用 兩個暗物質粒子相遇時 會湮滅成電子、正電子等普通粒子 粒子碰撞會釋放出巨大能量 暗星的核心就像一個暗物質湮滅反應堆 靠湮滅能量發光發熱 而且還有幾個顛覆認知的特點 暗星的直徑可能是太陽的十倍以上 超過14億公里 差不多能從太陽延伸到土星軌道 比我們熟知的紅巨星還要大得多 雖然暗星核心溫度只有1000萬攝氏度 遠低於太陽核心 但暗物質湮滅釋放的能量 能讓亮度達到太陽的數十億倍 比整個銀河系的總亮度還高 暗物質在暗星內部緩慢湮滅 哪怕暗物質質量只佔暗星總質量的0.1% 也足夠支撐它燃燒數百萬甚至數十億年 比普通大質量恆星壽命長得多 暗星一開始可能只有幾倍太陽質量 但會不斷襲擊周圍的氣體和暗物質 最終長成太陽質量100萬倍的超級天體 這次微博望遠鏡 把觀測目標對準了宇宙誕生後 1億到4億年的再電磷時代 那時候宇宙裏還沒有星系 只有靈星的第三代恆星 暗星很可能誕生在這個時期 研究團隊通過微博的近紅外光譜儀 在遙遠宇宙中找到了四個可疑天體 特徵和理論預測的暗星高度吻合 分別命名爲JSGS1100 JSGS1300 JSGSC140和JSGSC141 其中最讓人矚目的是JSGSC141 距離地球約132億光年 對應宇宙誕生後五億年左右時期 是目前人類觀測到的最遙遠發光天體之一 通過光譜分析 科學家發現了一個關鍵信號 電力氦的1640I吸收線 吸收線堪稱暗星的身份Ib 普通恆星大氣中也有氦 但暗星因爲核心暗物質湮滅能量 會讓外層大氣中的氦原子大量電離 形成獨特譜線 微博精準捕捉到信號 也是科學家判斷 它們可能是暗星的核心依據 更進一步的是 候選體質量在50萬到170萬倍太陽質量之間 和暗星超大質量理論預測完全匹配 要真的是暗星 它們將成爲人類發現的第一批 不靠核聚變驅動的發光天體 暗星的發現如果得到證實 會給天文學帶來顛覆性影響 至少能解決三個目前無法解釋的難題 早期超大質量黑洞憑空出現謎題 現在我們知道 幾乎每個星系中心都有一個超大質量黑洞 但天文學家一直想不通 宇宙才誕生幾億年 這些黑洞怎麼能長得這麼大 普通恆星死亡後形成的恆星級黑洞 要靠襲擊物質 長成百萬倍太陽質量黑洞 至少需要幾十億年 遠超早期宇宙時間 而暗星剛好能填補空白 暗星本身就有百萬倍太陽質量 等內部暗物質消耗完 失去能量支撐核心 會在自身引力作用下坍縮 直接形成原生超大質量黑洞 這個過程只需要幾百萬年 完美匹配早期宇宙中黑洞的形成時間 早期星系長得太快謎題 微博之前就發現過一個矛盾 宇宙誕生後六億年 就已經出現了質量和銀河系相當的星系 比如XCS8-1 但按照傳統理論 早期宇宙氣體雲要慢慢聚集形成恆星 再組成星系 整個過程至少需要11年以上 這些早熟星系的存在 一直讓科學家摸不着頭腦 而暗星可能是早期星系的種子 多個暗星在引力作用下聚集 它們周圍的氣體和塵埃 會逐漸形成普通恆星 暗星坍縮形成的超大質量黑洞 又通過引力吸引更多物質 加速星系形成 這樣一來 早期星系快速成長的問題 就有了合理的解釋 暗物質到底是什麼線索 暗物質的本質 是目前物理學最大的謎題之一 而暗星是直接探測暗物質的絕佳機會 暗星的亮度 溫度 光譜特徵 都和暗物質的湮滅效率 粒子質量 直接相關 要是能通過微波望遠鏡 更精確地觀測暗星細節 就能反推出暗物質粒子性質 比如暗物質粒子的質量 湮滅時釋放的能量等 這比地面上的暗物質探測器 更直接 或許能幫我們找到暗物質的真實身份 不過現在還不能確定 四個候選體就是暗星 天文學家也提出了其他可能 比如它們是極量的早期星系 或者是被塵埃包裹的類星體 這類天體 由超大質量黑洞驅動發光 接下來 研究團隊計劃用 阿塔卡瑪大型毫米波亞毫米波 陣列AUMA 進一步觀測候選體 AUMA能探測到天體發出的毫米波信號 通過分析信號 科學家可以判斷 候選體周圍是否有大量塵埃 如果是星系或類星體 周圍會有不少塵埃 而暗星周圍的塵埃很少 這樣就能排除其他可能性 要是AUMA觀測 能進一步證實暗星特徵 這個發現將成爲 繼宇宙微波背景輻射引力波之後 又一個改寫 宇宙學教科書的重大突破 爲什麼只有 微波望遠鏡能找到暗星 關鍵在於紅外觀測能力 宇宙一直在膨脹 遙遠天體發出的光 會被拉伸成波長 更長的紅外線,也就是紅移 比如這次觀測的暗星 紅移值達到了10以上 它們發出的紫外線 經過130多億年的傳播 到達地球時 已經變成了近紅外線 而微波配備了專門的近紅外相機 和近紅外光譜儀 能捕捉到紅移的微弱信號 相當於把宇宙的 嬰兒照調亮、放大 之前的哈勃望遠鏡 雖然也能觀測紅外 但靈敏度和分辨率遠不如微波 根本無法分辨 這麼遙遠的暗星候選體