【揭秘“暗星”】

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【揭秘“暗星”】

 

作者: Shea

 

Ker Than　文　Shea　譯

 

也許大爆炸之後由暗物質驅動的奇異恆星會率先形成。

 

 

[圖片說明]︰版權︰Sky Telescope/Casey Reed。

 

科學版的《創世紀》告訴我們，宇宙起源于137億年前，而宇宙中的第一代“居民”——恆星——則要等到大爆炸之後大約1億年才會閃亮登場。

 

即便根據恆星的標準，第一代恆星也都是“巨人”。

 

它們要比現如今的任何一顆恆星都更大、更亮、燃燒得也更快。

 

不過，如果有關恆星形成的一個新理論是正確的話，那麼第一代恆星會比科學家們先前想象得還要更奇特，原因就在于它們和暗物質之間的相互作用。

 

暗物質是一種不可見的“物質”，它們佔據了宇宙物質的80%。

 

類似我們太陽的恆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。

 

但物理學中一些最流行的理論認為，組成暗物質的粒子同時也是自身的反粒子。

 

這就帶來了一種有趣的可能性，第一代恆星的能源可以源自聚集在其核心處的暗物質的自湮滅過程。

 

這些“暗星”的溫度要比由核聚變維系的恆星低，但個頭會更為龐大。

 

“它們仍然是恆星，主要由氫和氦組成。暗物質的比重小于總質量的1%，”美國密歇根大學的Katherine Freese說。

 

Freese和美國猶他大學的Paolo Gondolol以及加州大學聖克魯茲分校的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”恆星——被稱為星族Ⅲ——的形成10億年來改變早期宇宙中的化學組成。

 

暗星同時還能解釋為什麼超大質量黑洞能在大爆炸之後不久如此快速地形成。

 

什麼是暗物質？

 

科學家還沒有確認暗物質粒子的屬性，但許多物理學家認為它們是弱相互作用大質量粒子。

 

超對稱理論預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量的伙伴粒子，其中的絕大部分自大爆炸以來就已經衰變了。

 

因為幸存的弱相互作用大質量粒子和會普通物質僅僅通過弱核力和引力——自然界中最弱的兩種力——發生相互作用，所以要想探測這些粒子是極其困難的。
 

 

暗星演化

 

在大爆炸之後，宇宙是一片由均勻分布的粒子組成的海洋，沒有結構，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，但其余的絕大部分則是暗物質。

 

隨著時間的流逝，暗物質粒子並合形成了復雜的蛛網狀結構，其中的細絲會相交形成結點——暗物質暈。

 

受到大質量暈的引力吸引，重子物質會沿著這些縴維狀結構運動，並且在暈中聚集成氣體雲。

 

它們會在自身的引力作用下坍縮成發光的氣體結，形成第一代的原恆星。

 

隨著原恆星質量的增大，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，暗物質暈就是恆星的溫床，正是在那里重子物質得以聚集並最終孵化出恆星，不過暗物質並沒有直接影響恆星的形成。然後，Freese以及同事提出的計算機模型正在挑戰這一觀點。

 

“在標準模型中，一片原恆星雲會坍縮直到它體積、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可以為它提供能量。”

在這部修改過的恆星演化史中，暗物質不再僅僅是第一代恆星登場演出的背景。

 

早期宇宙中暗物質的空間密度要比現在的高得多，因為當時的宇宙仍處于膨脹的早期比現在要小得多。

 

因此第一代恆星會沉浸在暗物質中。

 

像風一樣，暗物質也會吹拂著第一代恆星。

 

第一代原恆星會吸引暗物質粒子並把它們聚集到自己的核心。

 

如果原恆星中暗物質的密度超過了一定的閾值，這些粒子就會踫撞並且自湮滅發射出高能光子、中微子和電子。

 

在暗物質自湮滅的過程中，物質會以比普通核反應高得多的效率轉化成能量，因此少量的暗物質就能為整顆恆星提供能量。

 

重要的是，暗物質的“燃燒”可以阻止原恆星進一步引力坍縮，在它的核能引擎被啟動前的胚胎期使之“凍結”。

 

結果是，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恆星可以達到100個太陽質量，最近的研究認為，最大的暗星質量也許會在1,000～10,000個太陽質量之間。

 

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恆星的溫度會更高、顏色也更藍，”Freese說。

 

 

[圖片說明]︰恆星比較。

 

恆星的特征由它們的組成、質量和能源決定。

 

諸如暗星和紅超巨星這樣巨大的恆星都具有強勁的能源，由此來使得它們的大氣膨脹，進而表面看上去溫度較低。

 

“暗星”這個名字其實並不恰當。

 

由于它們巨大的表面積，它們的亮度可以相當于幾百萬個太陽。

 

類似暗星，星族Ⅲ恆星也只存在于早期宇宙中，但它們由核聚變驅動而不是暗物質湮滅。

 

版權︰Sky Telescope/Casey Reed。

 

計算機模擬預言，只要周圍暗物質密度足夠高，暗星就可以存在。

 

在最差的情況下，暗星應該可以存在大約100萬年。

 

如果暗物質暈非常大或者有從外界來的暗物質粒子注入，它們甚至可以存在數十億年。

 

一些原初的暗星還有可能幸存至今。“我們也許會發現這些仍然在發光的第一代恆星。

 

那就太棒了，”美國斯坦福大學的Igor Moskalenko說。

 

 

宇宙的結果

 

一旦暗物質能源被耗盡，暗星的命運將取決于它的質量。

 

僅有幾百個太陽質量的暗星在用完暗物質儲備之後會“解凍”。

 

它們會轉變為正常的由核聚變驅動的恆星，並且繼續存在上幾百萬左右，直到超新星爆發把自身的重元素播撒到宇宙中去。

 

但是對于最大質量的暗星要想重回普通恆星的生活卻是不可能的。

 

它們令人難以置信的質量會使得它們直接坍縮成黑洞。

 

暗星因此可以解釋類星體——中心具有超大質量黑洞的明亮星系——是如何在大爆炸之後僅數億年就已經存在的，這比目前絕大部分的理論預言都要早。

 

“在目前的理論中，如果沒有暗星，一個只有幾個太陽質量的黑洞沒有足夠的時間能成長為可以解釋類星體所需的百萬太陽質量的黑洞，”Gondolo說。

 

暗星也許還在終結宇宙的黑暗時代上發揮了作用。

 

宇宙的黑暗時代是大爆炸之後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，需要不同代恆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、更強勁的由聚變產能的恆星，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恆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，但我們並不知道它會朝哪個方向發展。”

 

 

[圖片說明]︰暗星的生命循環。

 

1.早期宇宙中暗物質沿著縴維結構聚集；

 

2.重子物質沿著這些縴維流動並且在引力作用下並合成大型的氣體雲；

 

3.暗物質和重子物質在這些氣體雲中一起坍縮。

 

重子物質冷卻並且吸引暗物質；

 

4.氣體雲在引力作用下坍縮形成第一代恆星；

 

5a. 最大的暗星最終坍縮成大質量黑洞，它們是星系中央超大質量黑洞的種子；

 

5b.較小的暗星最終耗盡暗物質，隨後改由核聚變驅動；

 

6. 當核燃料用完後，這些恆星會以標準的核心坍縮型超新星爆發；

 

7.這些超新星中的一些最終會形成恆星質量的黑洞。版權︰Sky Telescope/Casey Reed。

 

美國哈佛大學史密松天體物理中心的Lars Hernquist說，暗星無疑會改變很多事情。“因為這些恆星是壽命遠比1百萬年長得多的輻射源，那麼早期宇宙看上去就會大為不同，”他說。

 

但Hernquist也補充說，雖然暗星很有趣，但它們也還是猜測，“因為科學家所使用的模型利用了一些假設，而且他們的計算也相當地簡單。”

 

例如，史密松天體物理中心的Avi Loeb說，暗物質暈稠密的中心區域——被稱為尖點——在和重子物質的相互作用中很容易就能被瓦解。

 

“除非有三維數值模擬能堅實地證明這些尖點的存在，否則我不相信暗星會真實存在，”Loeb說。

 

 

尋找暗星

 

暗星的首個證據也許並不會來自計算機模型，而是來自天文學家。

 

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恆星的超新星爆發幾千萬到幾億年。

 

“最好的證據也許就是能找到由于暗星機制而導致的星族Ⅲ超新星爆發的推遲，”Iocco說。

 

科學家懷疑，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。

 

下一代衛星也許還能探測到早已消失的原初暗星所發出的光。

 

理論預言，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、被凍結的暗星。

 

質量以及化學組成和由聚變驅動的恆星一樣，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。

 

如果天文學家發現一顆恆星具有這些奇特的性質，它就有可能是自宇宙創生至今一直陪伴在我們身邊的這些天體存在的證據。

 

Ker Than是居于美國紐約的科學新聞記者。

 

（本文已刊載于《中國國家天文》2010年第3期）

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_1472.html