摘要：美国国家航空航天局（NASA）等机构合作运行的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的新观测结果暗示，宇宙最初的恒星可能并非由传统的核聚变驱动，而是由暗物质湮灭提供能量的巨大“超大质量暗星”。这些庞大而明亮的氢氦球体，或许能解释早期星系为何出人意料地明亮，以及宇宙

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摘要：美国国家航空航天局（NASA）等机构合作运行的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的新观测结果暗示，宇宙最初的恒星可能并非由传统的核聚变驱动，而是由暗物质湮灭提供能量的巨大“超大质量暗星”。这些庞大而明亮的氢氦球体，或许能解释早期星系为何出人意料地明亮，以及宇宙首批超大质量黑洞的起源之谜。

在宇宙大爆炸后数亿年的黎明时期，第一批恒星从广袤的原始氢氦云中诞生。然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜的最新观测表明，这些早期恒星可能与天文学家研究了数百年的、由核聚变驱动的恒星截然不同。 由美国科尔盖特大学的科斯明·伊利耶（Cosmin Ilie）领导的一项新研究，联合来自美国宾夕法尼亚大学的沙法特·马赫穆德（Shafaat Mahmud，同时也是科尔盖特大学2026届学生）、科尔盖特大学2023届毕业生吉莉安·波林（Jillian Paulin），以及美国德克萨斯大学奥斯汀分校的凯瑟琳·弗里斯（Katherine Freese），成功识别出四颗极其遥远的天体。这些天体的外观与光谱特征，完全符合科学家们对“超大质量暗星”（Supermassive Dark Stars）的理论预期。

伊利耶解释道：“超大质量暗星是一种极其明亮的巨型膨胀云团，其主要成分是氢和氦，而其内部微量的、能够自我湮灭的暗物质，则支撑着整个星体免于因自身引力而坍缩。” 超大质量暗星及其最终形成的黑洞残骸，可能是破解当前两大天文谜题的关键：其一，是韦伯望远镜观测到的那些异常明亮且结构紧凑的遥远星系，它们的规模远超理论预期；其二，则是驱动着已知最遥远类星体的那些超大质量黑洞，其起源至今成谜。

凯瑟琳·弗里斯与她的合作者道格·斯波利亚尔（Doug Spolyar）、保罗·贡多洛（Paolo Gondolo）共同提出了“暗星”这一概念，其首篇经同行评审的论文于2008年发表在《物理评论快报》上。该研究阐述了暗星如何在早期宇宙中成长，并最终坍缩成超大质量黑洞。2010年，弗里斯、伊利耶、斯波利亚尔及其合作者在《天体物理学杂志》上进一步深化了该理论，阐述了暗星可能通过两种途径达到巨大的体积，并预测它们可能成为已知最早类星体中超大质量黑洞的“种子”。

暗物质约占宇宙总质量的四分之一，其本质至今仍是科学界最重大的谜题之一。研究者普遍认为它由某种尚未被探测到的基本粒子构成。尽管数十年的实验始终未能直接发现这类粒子，但当前的主流假说指向了“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）。当两个WIMP粒子相互碰撞时，它们会彼此湮灭，释放出的巨大能量足以加热正在坍缩的氢气云，使其化作一颗璀璨的暗星。在大爆炸后数亿年间，在被称为“暗物质晕”的致密区域内，似乎恰好具备了形成此类恒星的理想环境条件，而这些区域也被认为是第一代普通恒星诞生的摇篮。

“我们首次在韦伯望远镜的数据中，发现了符合光谱学特征的超大质量暗星候选体，其中包括一个红移值高达14的天体——这意味着它仅在大爆炸后约3亿年时形成，”弗里斯表示。作为德克萨斯大学奥斯汀分校物理系的杰夫与盖尔·科多斯基讲席教授，同时担任温伯格理论物理研究所及德克萨斯宇宙学与天体粒子物理中心主任，她补充道：“这类早期暗星的质量可达太阳的百万倍，它们不仅能帮助我们理解暗物质，更是韦伯望远镜所观测到的早期超大质量黑洞的重要前身——否则，那些黑洞的存在将难以解释。”

在伊利耶、波林与弗里斯于2023年发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，团队首次利用韦伯望远镜的近红外相机（NIRCam）的测光数据，发现了首批超大质量暗星候选体（JADES-GS-z13-0、JADES-GS-z12-0 和 JADES-GS-z11-0）。此后，韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）为这些天体及其他若干极远天体提供了光谱数据。研究团队（现已加入沙法特·马赫穆德）分析了其中四颗迄今观测到的最遥远天体（包含2023年研究中的两颗候选体）的光谱与形态特征，它们分别是：JADES-GS-z14-0、JADES-GS-z14-1、JADES-GS-13-0 及 JADES-GS-z11-0，并发现它们的特征均符合超大质量暗星的解释模型。

其中，JADES-GS-z14-1的光源特征无法被解析，这表明它符合一个“点光源”的特征——正如一颗遥远的超大质量恒星所应呈现的那样。其余三者的结构则极其紧凑，可以通过一个由超大质量暗星驱动的星云（即恒星周围被电离的氢气与氦气）模型来进行解释。研究文献同时表明，本次分析的四颗天体也均与早期星系的解释相符。然而，暗星具有一个关键性的光谱特征——在1640埃（Å）波长处存在一条吸收线，这源于其大气中存在的大量单电离氦元素。事实上，在四颗目标天体中，已有一颗显现出该特征的迹象。

“研究中最激动人心的时刻，是我们在JADES-GS-z14-0的光谱中发现了1640埃处的吸收凹陷。 尽管该特征的信噪比相对较低，但这是我们首次发现暗星存在的潜在关键证据，其本身就具有重大意义。”伊利耶表示。

天文学家利用位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）观测了同一天体的光谱，并通过星云的发射线揭示了氧元素的存在。研究人员指出，如果这两种光谱特征最终均获证实，那么该天体就不可能是一颗孤立的暗星，而可能是一颗嵌入在富含金属环境中的暗星。这种环境可能是该暗星所在的暗物质晕与另一个星系合并的结果。另一种可能性是，这颗暗星与普通恒星在同一个宿主星系晕中同时形成——研究人员现在已经意识到，这种可能性确实存在。

发现超大质量暗星，将为通过观测其特性来研究暗物质粒子开辟全新的可能性，并可能开创天文学的一个全新领域：由暗物质驱动的恒星研究。这项发表于《美国国家科学院院刊》的研究，正是朝着这个方向迈出的关键一步。

韦伯望远镜的镜片，如同一双能够洞穿时间的眼眸，正凝视着宇宙的黎明。在那里，最深邃的黑暗，或许曾以一种我们从未想象过的方式，点燃了第一缕光。构成我们宇宙绝大部分的暗物质，可能并非永恒的沉默背景，而是在创世之初，就曾亲自扮演过恒星的角色。这个想法本身，就足以重塑我们对“看见”与“存在”的理解。

关于宇宙的第一缕光，你有着怎样的想象？欢迎在评论区分享你的看法。

来源：小刘说科学