揭秘暗星

Ker Than

科學(xué)版的《創(chuàng)世紀》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——則要等到大爆炸之后大約1億年才會閃亮登場。即便根據(jù)恒星的標準,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)恒星形成的一個新理論是正確的話,那么第一代恒星會比科學(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%。

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)家還沒有確認暗物質(zhì)粒子的屬性,但許多物理學(xué)家認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。因為幸存的弱相互作用大質(zhì)量粒子和會普通物質(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),其中的細絲會相交形成結(jié)點——暗物質(zhì)暈。受到大質(zhì)量暈的引力吸引,重子物質(zhì)會沿著這些纖維狀結(jié)構(gòu)運動,并且在暈中聚集成氣體云。它們會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,體積會不斷減小,直到它們的核心達到了能啟動核聚變的臨界密度和溫度。

在這一標準圖像中,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,Freese以及同事提出的計算機模型正在挑戰(zhàn)這一觀點。“在標準模型中,一片原恒星云會坍縮直到它體積、密度和溫度足以點燃核聚變,”Freese說,“我們要說的是,這里存在一個中間階段,在很長的一段時間里暗物質(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,因為當時的宇宙仍處于膨脹的早期比現(xiàn)在要小得多。因此第一代恒星會沉浸在暗物質(zhì)中。第一代原恒星會吸引暗物質(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”可以阻止原恒星進一步引力坍縮,在它的核能引擎被啟動前的胚胎期使之“凍結(jié)”。結(jié)果是,暗星會異常的龐大,比正常的星族Ⅲ還要巨大。它們的直徑可以從1個天文單位(日地平均距離)到大約30個天文單位——相當于從太陽到海王星的距離。同時,鑒于一顆正常的星族Ⅲ恒星可以達到100個太陽質(zhì)量,最近的研究認為,最大的暗星質(zhì)量也許會在1,000～10,000個太陽質(zhì)量之間。暗星看上去會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比太陽亮上十億倍。“相比之下,標準星族Ⅲ恒星的溫度會更高、顏色也更藍,”Freese說。

計算機模擬預(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,暗星的命運將取決于它的質(zhì)量。僅有幾百個太陽質(zhì)量的暗星在用完暗物質(zhì)儲備之后會“解凍”。它們會轉(zhuǎn)變?yōu)檎５挠珊司圩凃?qū)動的恒星,并且繼續(xù)存在上幾百萬年左右,直到超新星爆發(fā)把自身的重元素播撒到宇宙中去。

暗星也許還在終結(jié)宇宙的黑暗時代上發(fā)揮了作用。宇宙的黑暗時代是大爆炸之后的一個完全黑暗時期,新生的氫和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照標準理論,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準星族Ⅲ恒星的形成來推遲再電離。“我對此無所適從,”她說,“暗星會影響再電離,但我們并不知道它會朝哪個方向發(fā)展。”

尋找暗星

暗星的首個證據(jù)也許并不會來自計算機模型,而是來自天文學(xué)家。法國巴黎天體物理研究所的Fabio Iocco認為,暗星會推遲標準星族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制而導(dǎo)致的星族Ⅲ超新星爆發(fā)的推遲,”Iocco說。科學(xué)家懷疑,如果這一推遲時間足夠長,未來的空間望遠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我們這里的時候會被“移動”到遠紅外波段。“我們寄希望于詹姆斯?韋布空間望遠鏡上的紅外探測器,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)動的恒星一樣,但暗星的體積會更大、溫度也會更低。它們的溫度會和太陽類似,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)。(摘自科學(xué)松鼠會網(wǎng))