由於核聚變，原子融合在一起並釋放能量，恆星在黑暗的太空中發出耀眼的光芒。但是，如果有另一種方法可以為恆星提供能量呢？由三位天體物理學家組成的研究小組–德克薩斯大學奧斯汀分校的凱瑟琳-弗雷斯（Katherine Freese）與科爾蓋特大學的科斯明-伊利（Cosmin Ilie）和23歲的吉利安-保林（Jillian Paulin）合作–分析了詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）拍攝的圖像，發現了三個可能是”暗星”的明亮天體。

“暗星”理論上比我們的太陽大得多、亮得多，由暗物質粒子湮滅提供能量。如果得到證實，暗星可能揭示暗物質的本質，這是物理學中最深奧的未決問題之一。

UT奧斯汀分校溫伯格理論物理研究所所長、傑夫和蓋爾-科多斯基物理學講座教授弗雷斯說：”發現一種新型恆星本身就很有趣，但如果發現是暗物質在驅動這一切，那將是巨大的發現。”

這三個天體（JADES-GS-z13-0、JADES-GS-z12-0和JADES-GS-z11-0）最初於2022年12月被JWST高級深河外星系巡天（JADES）確定為星系。現在，包括德克薩斯大學奧斯汀分校的凱瑟琳-弗雷斯（Katherine Freese）在內的一個研究小組推測，它們實際上可能是”暗星”。”暗星”是一種理論上比太陽更大、更亮的天體，由暗物質湮滅的粒子驅動。資料來源：NASA/ESA

儘管暗物質約佔宇宙的25%，但其本質卻一直困擾著科學家。科學家們相信它是由一種新型的基本粒子組成的。其中最主要的候選粒子是弱相互作用大質量粒子。當它們發生碰撞時，這些粒子會自我湮滅，將熱量沉積到坍縮的氫雲中，並將它們轉化為能被感知的暗星，識別超大質量暗星將為根據觀測到的暗星特性了解暗物質提供可能。

這項研究成果於7月11日發表在《美國國家科學院院刊》上。

JWST對這些天體光譜特性的後續觀測–包括某些頻段的光強驟減或過剩–將有助於確認這些候選天體是否真的是暗星。證實暗星的存在還可能有助於解決JWST帶來的一個問題：宇宙中似乎有太多的大型星系，它們出現得太早，不符合宇宙學標準模型的預測。

弗雷斯說：”更有可能的是，標準模型中的某些東西需要調整，因為像我們這樣提出全新的東西總是不太可能的。但是，如果其中一些看起來像早期星系的天體實際上是暗星，那麼星系形成的模擬結果就會與觀測結果更加吻合。”

這三個候選暗星（JADES-GS-z13-0、JADES-GS-z12-0和JADES-GS-z11-0）最初於2022年12月被JWST高級深河外星系巡天（JADES）確定為星系。通過光譜分析，JADES團隊確認這些天體是在宇宙大爆炸後約3.2億年到4億年之間被觀測到的，使它們成為有史以來觀測到的最早的天體之一。

“當我們查看詹姆斯-韋伯的數據時，這些天體有兩種相互競爭的可能性，”Freese說。”一種可能是它們是包含數百萬顆普通III類恆星的星系。另一種可能是它們是暗星，一顆暗星的光足以與整個星系的恆星相抗衡。理論上，暗星的質量可以達到太陽的幾百萬倍，亮度可以達到太陽的100億倍。”

科爾蓋特大學物理和天文學助理教授Ilie說：”我們早在2012年就預測，超大質量暗星可以用JWST觀測到。正如我們最近發表的《美國科學院院刊》（PNAS）文章所示，我們在分析JWST數據時已經發現了三顆候選超大質量暗星，它們是由Curtis-Lake等人從光譜學角度證實的四顆高紅移JADES天體，我相信我們很快就會發現更多的候選天體”。

暗星的想法源於Freese和Doug Spolyar之間的一系列對話，當時Doug Spolyar還是加州大學聖克魯茲分校的一名研究生。他們想知道暗物質對宇宙中最早形成的恆星有什麼作用？隨後，他們聯繫了猶他大學的天體物理學家保羅-貢多洛（Paolo Gondolo），後者加入了這個團隊。經過幾年的發展，他們於2008年在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上發表了有關這一理論的第一篇論文。

弗雷斯、斯波利亞爾和貢多洛共同建立了這樣一個模型： 在早期原星系的中心，存在著非常緻密的暗物質團，以及氫氣和氦氣雲。當氣體冷卻時，它會發生坍縮，並將暗物質一起拉入。隨著密度的增加，暗物質粒子會越來越多地湮滅，增加越來越多的熱量，這將阻止氣體一直塌縮到足夠緻密的內核，以支持像普通恆星那樣的核聚變。相反，它將繼續聚集更多的氣體和暗物質，變得又大又蓬鬆，比普通恆星明亮得多。與普通恆星不同的是，動力源將均勻分佈，而不是集中在核心。有了足夠的暗物質，暗星的質量可以達到太陽的幾百萬倍，亮度可以達到太陽的100億倍。