JWST可能发现了由暗物质驱动的宇宙首批恒星

伊利表示：“超大质量暗星是极其明亮、巨大且蓬松的云团，主要由氢和氦构成，其内部少量自我湮灭的暗物质产生的能量使其能抵抗引力坍缩。” 超大质量暗星及其残留黑洞可能是解开两个近期天文学谜题的关键：一是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到的那些比预期更大、极亮且致密的遥远星系，二是为观测到的最遥远类星体供能的超大质量黑洞的起源。
凯瑟琳·弗里斯与道格·斯波利亚尔、保罗·贡多洛首次提出暗星概念，并于2008年在《物理评论快报》发表了关于该概念的首篇同行评审论文。该研究阐述了暗星在早期宇宙中如何生长并最终坍缩为超大质量黑洞。2010年，弗里斯、伊利、斯波利亚尔及其合作者在《天体物理学杂志》上扩展了这一理论，描述了两种可能使暗星达到巨大尺寸的过程，并预测它们可能是已知最早类星体中黑洞的“种子”。
暗物质被认为约占宇宙的四分之一，但其本质仍是科学最大谜团之一。研究人员认为它由一种尚未探测到的基本粒子构成。数十年的实验都在寻找这些粒子，但至今未果。一个主要假设是弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。当两个WIMP碰撞时，它们会相互湮灭并释放能量，这些能量可加热坍缩的氢云，使其发光成为明亮的暗星。
宇宙大爆炸后数亿年，在被称为暗物质晕的致密区域内，条件似乎非常适合形成此类恒星。这些区域也是第一代正常恒星预计出现的地方。
“我们首次在JWST中识别出了光谱学上的超大质量暗星候选体，包括红移14的最早天体——仅在宇宙大爆炸后3亿年形成。”弗里斯说，她是得克萨斯大学奥斯汀分校的杰夫与盖尔·科多斯基物理学捐赠讲席教授、温伯格研究所及得克萨斯宇宙学和天体粒子物理中心主任。“这类早期暗星的质量是太阳的一百万倍，它们不仅对我们了解暗物质很重要，也是JWST观测到的早期超大质量黑洞的前身，否则这些黑洞很难解释。”
在伊利、波林和弗里斯2023年发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的研究中，利用JWST近红外相机（NIRCam）的测光数据，首次识别出了超大质量暗星候选体（JADES-GS-z13-0、JADES-GS-z12-0和JADES-GS-z11-0）。此后，JWST近红外光谱仪（NIRSpec）的光谱数据对这些候选体及其他一些极遥远天体变得可用。现在还包括沙法特·马哈茂德在内的研究团队分析了四个观测到的最遥远天体（包括2023年研究中的两个候选体）的光谱和形态：JADES-GS-z14-0、JADES-GS-z14-1、JADES-GS-z13-0和JADES-GS-z11-0，发现每个天体都与超大质量暗星的解释相符。
JADES-GS-z14-1未被解析，这意味着它与点源一致，就像一颗非常遥远的超大质量恒星。另外三个天体极其致密，可以用超大质量暗星驱动星云（即恒星周围的电离氢和氦气体）来建模。文献显示，本研究中分析的四个天体也都与星系的解释相符。暗星有一个“确凿证据”特征：1640埃的吸收线，这是由于其大气中存在大量的单电离氦。事实上，分析的四个天体中有一个显示出了这一特征。
“这项研究中最令人兴奋的时刻之一是，我们在JADES-GS-z14-0的光谱中发现了1640埃的吸收谷。虽然该特征的信噪比相对较低（S/N≈2），但这是我们首次发现暗星的潜在确凿证据，这本身就很了不起。”伊利说。
天文学家使用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）测量了同一个天体的光谱，通过星云发射线揭示了氧的存在。研究人员表示，如果这两个光谱特征都得到证实，该天体就不可能是孤立的暗星，而可能是嵌入富金属环境中的暗星。这可能是暗物质晕（包含暗星）与星系合并的结果。或者，正如研究人员现在意识到的，暗星和普通恒星可能在同一个宿主晕中形成。
超大质量暗星的识别将为基于这些天体的观测特性了解暗物质粒子开辟可能性，并将建立一个新的天文学领域：暗物质供能恒星的研究。这项已发表的PNAS研究是朝着这个方向迈出的关键一步。