Ker Than 文 Shea 譯
也許大爆炸之后由暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的奇異恒星會(huì)率先形成。
[圖片說明]：版權(quán)：Sky & Telescope/Casey Reed。
科學(xué)版的《創(chuàng)世紀(jì)》告訴我們，宇宙起源于137億年前，而宇宙中的第一代“居民”——恒星——?jiǎng)t要等到大爆炸之后大約1億年才會(huì)閃亮登場。即便根據(jù)恒星的標(biāo)準(zhǔn)，
第一代恒星也都是“巨人”。它們要比現(xiàn)如今的任何一顆恒星都更大、更亮、燃燒得也更快。
不過，如果有關(guān)恒星形成的一個(gè)新理論是正確的話，那么第一代恒星會(huì)比科學(xué)家們先前想象得還要更奇特，原因就在于它們和暗物質(zhì)之間的相互作用。
暗物質(zhì)是一種不可見的“物質(zhì)”，它們占據(jù)了宇宙物質(zhì)的80%。
類似我們太陽的恒星通過把較輕的元素聚變成較重的來與其自身巨大的引力相抗衡免于坍縮。但物理學(xué)中一些最流行的理論認(rèn)為，組成暗物質(zhì)的粒子同時(shí)也是自身的反粒子。這就帶來了一種有趣的可能性，第一代恒星的能源可以源自聚集在其核心處的暗物質(zhì)的自湮滅過程。這些“暗星”的溫度要比由核聚變維系的恒星低，但個(gè)頭會(huì)更為龐大。“它們?nèi)匀皇呛阈?，主要由氫和氦組成。暗物質(zhì)的比重小于總質(zhì)量的1%，”美國密歇根大學(xué)的Katherine Freese說。
Freese和美國猶他大學(xué)的Paolo Gondolol以及加州大學(xué)圣克魯茲分校的Doug Spolyar一起于2006年首次研究了暗星。他們說，如果暗星存在，它們會(huì)通過推遲第一代“正常”恒星——被稱為星族Ⅲ——的形成10億年來改變早期宇宙中的化學(xué)組成。暗星同時(shí)還能解釋為什么超大質(zhì)量黑洞能在大爆炸之后不久如此快速地形成。
什么是暗物質(zhì)？
科學(xué)家還沒有確認(rèn)暗物質(zhì)粒子的屬性，但許多物理學(xué)家認(rèn)為它們是弱相互作用大質(zhì)量粒子。超對稱理論預(yù)言了這些飄渺的粒子，它同時(shí)還提出所有已知的粒子都具有大質(zhì)量的伙伴粒子，其中的絕大部分自大爆炸以來就已經(jīng)衰變了。因?yàn)樾掖娴娜跸嗷プ饔么筚|(zhì)量粒子和會(huì)普通物質(zhì)僅僅通過弱核力和引力——自然界中最弱的兩種力——發(fā)生相互作用，所以要想探測這些粒子是極其困難的。
暗星演化
在大爆炸之后，宇宙是一片由均勻分布的粒子組成的海洋，沒有結(jié)構(gòu)，沒有光亮。這些粒子中有一小部分是我們熟悉的普通重子物質(zhì)，但其余的絕大部分則是暗物質(zhì)。隨著時(shí)間的流逝，暗物質(zhì)粒子并合形成了復(fù)雜的蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中的細(xì)絲會(huì)相交形成結(jié)點(diǎn)——暗物質(zhì)暈。受到大質(zhì)量暈的引力吸引，重子物質(zhì)會(huì)沿著這些纖維狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并且在暈中聚集成氣體云。它們會(huì)在自身的引力作用下坍縮成發(fā)光的氣體結(jié)，形成第一代的原恒星。隨著原恒星質(zhì)量的增大，體積會(huì)不斷減小，直到它們的核心達(dá)到了能啟動(dòng)核聚變的臨界密度和溫度。
在這一標(biāo)準(zhǔn)圖像中，暗物質(zhì)暈就是恒星的溫床，正是在那里重子物質(zhì)得以聚集并最終孵化出恒星，不過暗物質(zhì)并沒有直接影響恒星的形成。然后，F(xiàn)reese以及同事提出的計(jì)算機(jī)模型正在挑戰(zhàn)這一觀點(diǎn)。“在標(biāo)準(zhǔn)模型中，一片原恒星云會(huì)坍縮直到它體積、密度和溫度足以點(diǎn)燃核聚變，”Freese說，“我們要說的是，這里存在一個(gè)中間階段，在很長的一段時(shí)間里暗物質(zhì)可以為它提供能量。”
在這部修改過的恒星演化史中，暗物質(zhì)不再僅僅是第一代恒星登場演出的背景。早期宇宙中暗物質(zhì)的空間密度要比現(xiàn)在的高得多，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的宇宙仍處于膨脹的早期比現(xiàn)在要小得多。因此第一代恒星會(huì)沉浸在暗物質(zhì)中。像風(fēng)一樣，暗物質(zhì)也會(huì)吹拂著第一代恒星。第一代原恒星會(huì)吸引暗物質(zhì)粒子并把它們聚集到自己的核心。如果原恒星中暗物質(zhì)的密度超過了一定的閾值，這些粒子就會(huì)碰撞并且自湮滅發(fā)射出高能光子、中微子和電子。在暗物質(zhì)自湮滅的過程中，物質(zhì)會(huì)以比普通核反應(yīng)高得多的效率轉(zhuǎn)化成能量，因此少量的暗物質(zhì)就能為整顆恒星提供能量。
重要的是，暗物質(zhì)的“燃燒”可以阻止原恒星進(jìn)一步引力坍縮，在它的核能引擎被啟動(dòng)前的胚胎期使之“凍結(jié)”。結(jié)果是，暗星會(huì)異常的龐大，比正常的星族Ⅲ還要巨大。它們的直徑可以從1個(gè)天文單位（日地平均距離）到大約30個(gè)天文單位——相當(dāng)于從太陽到海王星的距離。同時(shí)，鑒于一顆正常的星族Ⅲ恒星可以達(dá)到100個(gè)太陽質(zhì)量，最近的研究認(rèn)為，最大的暗星質(zhì)量也許會(huì)在1,000～10,000個(gè)太陽質(zhì)量之間。暗星看上去會(huì)呈類似太陽的橙黃色，但由于其巨大的表面積它們中最大的可能會(huì)比太陽亮上十億倍。“相比之下，標(biāo)準(zhǔn)星族Ⅲ恒星的溫度會(huì)更高、顏色也更藍(lán)，”Freese說。
[圖片說明]：恒星比較。恒星的特征由它們的組成、質(zhì)量和能源決定。諸如暗星和紅超巨星這樣巨大的恒星都具有強(qiáng)勁的能源，由此來使得它們的大氣膨脹，進(jìn)而表面看上去溫度較低。“暗星”這個(gè)名字其實(shí)并不恰當(dāng)。由于它們巨大的表面積，它們的亮度可以相當(dāng)于幾百萬個(gè)太陽。類似暗星，星族Ⅲ恒星也只存在于早期宇宙中，但它們由核聚變驅(qū)動(dòng)而不是暗物質(zhì)湮滅。版權(quán)：Sky & Telescope/Casey Reed。
計(jì)算機(jī)模擬預(yù)言，只要周圍暗物質(zhì)密度足夠高，暗星就可以存在。在最差的情況下，暗星應(yīng)該可以存在大約100萬年。如果暗物質(zhì)暈非常大或者有從外界來的暗物質(zhì)粒子注入，它們甚至可以存在數(shù)十億年。一些原初的暗星還有可能幸存至今。“我們也許會(huì)發(fā)現(xiàn)這些仍然在發(fā)光的第一代恒星。那就太棒了，”美國斯坦福大學(xué)的Igor Moskalenko說。
宇宙的結(jié)果
一旦暗物質(zhì)能源被耗盡，暗星的命運(yùn)將取決于它的質(zhì)量。僅有幾百個(gè)太陽質(zhì)量的暗星在用完暗物質(zhì)儲備之后會(huì)“解凍”。它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎５挠珊司圩凃?qū)動(dòng)的恒星，并且繼續(xù)存在上幾百萬左右，直到超新星爆發(fā)把自身的重元素播撒到宇宙中去。
但是對于最大質(zhì)量的暗星要想重回普通恒星的生活卻是不可能的。它們令人難以置信的質(zhì)量會(huì)使得它們直接坍縮成黑洞。暗星因此可以解釋類星體——中心具有超大質(zhì)量黑洞的明亮星系——是如何在大爆炸之后僅數(shù)億年就已經(jīng)存在的，這比目前絕大部分的理論預(yù)言都要早。“在目前的理論中，如果沒有暗星，一個(gè)只有幾個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞沒有足夠的時(shí)間能成長為可以解釋類星體所需的百萬太陽質(zhì)量的黑洞，”Gondolo說。
暗星也許還在終結(jié)宇宙的黑暗時(shí)代上發(fā)揮了作用。宇宙的黑暗時(shí)代是大爆炸之后的一個(gè)完全黑暗時(shí)期，新生的氫和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照標(biāo)準(zhǔn)理論，需要不同代恒星和星系的紫外光來瓦解或者電離這些原子，使得宇宙變得透明。但暗星可以造就出更大、更強(qiáng)勁的由聚變產(chǎn)能的恒星，這可以加速宇宙再電離的過程。Freese說，暗星還可以通過推遲標(biāo)準(zhǔn)星族Ⅲ恒星的形成來推遲再電離。“我對此無所適從，”她說，“暗星會(huì)影響再電離，但我們并不知道它會(huì)朝哪個(gè)方向發(fā)展。”
[圖片說明]：暗星的生命循環(huán)。1.早期宇宙中暗物質(zhì)沿著纖維結(jié)構(gòu)聚集；2.重子物質(zhì)沿著這些纖維流動(dòng)并且在引力作用下并合成大型的氣體云；3.暗物質(zhì)和重子物質(zhì)在這些氣體云中一起坍縮。重子物質(zhì)冷卻并且吸引暗物質(zhì)；4.氣體云在引力作用下坍縮形成第一代恒星；5a. 最大的暗星最終坍縮成大質(zhì)量黑洞，它們是星系中央超大質(zhì)量黑洞的種子；5b.較小的暗星最終耗盡暗物質(zhì)，隨后改由核聚變驅(qū)動(dòng)；6. 當(dāng)核燃料用完后，這些恒星會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)的核心坍縮型超新星爆發(fā)；7.這些超新星中的一些最終會(huì)形成恒星質(zhì)量的黑洞。版權(quán)：Sky & Telescope/Casey Reed。
美國哈佛大學(xué)史密松天體物理中心的Lars Hernquist說，暗星無疑會(huì)改變很多事情。“因?yàn)檫@些恒星是壽命遠(yuǎn)比1百萬年長得多的輻射源，那么早期宇宙看上去就會(huì)大為不同，”他說。
但Hernquist也補(bǔ)充說，雖然暗星很有趣，但它們也還是猜測，“因?yàn)榭茖W(xué)家所使用的模型利用了一些假設(shè)，而且他們的計(jì)算也相當(dāng)?shù)睾唵巍?#8221;
例如，史密松天體物理中心的Avi Loeb說，暗物質(zhì)暈稠密的中心區(qū)域——被稱為尖點(diǎn)——在和重子物質(zhì)的相互作用中很容易就能被瓦解。“除非有三維數(shù)值模擬能堅(jiān)實(shí)地證明這些尖點(diǎn)的存在，否則我不相信暗星會(huì)真實(shí)存在，”Loeb說。
尋找暗星
暗星的首個(gè)證據(jù)也許并不會(huì)來自計(jì)算機(jī)模型，而是來自天文學(xué)家。法國巴黎天體物理研究所的Fabio Iocco認(rèn)為，暗星會(huì)推遲標(biāo)準(zhǔn)星族Ⅲ恒星的超新星爆發(fā)幾千萬到幾億年。“最好的證據(jù)也許就是能找到由于暗星機(jī)制而導(dǎo)致的星族Ⅲ超新星爆發(fā)的推遲，”Iocco說?？茖W(xué)家懷疑，如果這一推遲時(shí)間足夠長，未來的空間望遠(yuǎn)鏡就能觀測到第一代的超新星爆發(fā)。
下一代衛(wèi)星也許還能探測到早已消失的原初暗星所發(fā)出的光。理論預(yù)言，來自早期暗星的光在到達(dá)我們這里的時(shí)候會(huì)被“移動(dòng)”到遠(yuǎn)紅外波段。“我們寄希望于詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡上的紅外探測器，但暗星最終也有可能太暗而無法被它探測到，”Gondolo說，“因此我們還在探索其他方法。”
另外，空間探測器還可以尋找一直幸存至今的、被凍結(jié)的暗星。質(zhì)量以及化學(xué)組成和由聚變驅(qū)動(dòng)的恒星一樣，但暗星的體積會(huì)更大、溫度也會(huì)更低。它們的溫度會(huì)和太陽類似，但亮度大約是太陽的100萬倍。如果天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一顆恒星具有這些奇特的性質(zhì)，它就有可能是自宇宙創(chuàng)生至今一直陪伴在我們身邊的這些天體存在的證據(jù)。
Ker Than是居于美國紐約的科學(xué)新聞?dòng)浾摺?
