最近，德國天文學家透過追蹤遙遠星系團的X射線，重建了近90億年的宇宙演化歷程。這幅新公布的宇宙地圖支持現有宇宙模型。而根據該模型，暗物質的重力作用是塑造宇宙結構的重要因素之一。
根據一些理論預測，在早期宇宙中，存在著由暗物質組成的超大恒星「暗星」。如今，占士·韋伯太空望遠鏡的觀測為這一領域帶來了重大發現：在普通恒星星系開始發光之前幾十億年，年齡僅幾億年的早期宇宙已有星系在發光。而且，一些暗星候選星系與目前的理論預測相當吻合。
如果這是真的，那麽人類離解開早期宇宙中出現超大質素黑洞的謎團已經不遠了。
——編者
宇宙時間尺度上的早期，是一個非常遙遠的年代。在宇宙大爆炸後不久，宇宙中可能散落著許許多多的星際怪物，包括一些被稱為「暗星」的超大恒星。
暗星的直徑之大，足以橫跨整個太陽系。與普通恒星不同的是，這些超大恒星不是由核聚變提供動力，而是由暗物質提供動力。具體而言，這種神秘物質的粒子會透過自我湮滅，為「暗星」提供燃料。
美國德克薩斯大學柯士甸分校理論天體物理學家凱瑟琳·弗裏斯於2007年首次提出「暗星」理論。當時，這一理論並沒有得到很多響應和贊同，「我無意中聽到，一些研究生說我們是一群瘋子」。
但弗裏斯一直沒有放棄關於「暗星」的理論設想。過去十幾年裏，她和同事們已經完善了對暗星這一假想天體的理解，但要為暗星的存在找到證據似乎還很遙遠。
直到最近，讓暗星理論柳暗花明的新發現終於出現了。弗裏斯和她的同事報告稱，他們透過新的天文望遠鏡看到了一些不同尋常的星系。當時，在美國紐約科爾蓋特大學的團隊成員吉莉安·波林說：「這些天體中有一些也許並不是星系，而是被稱為‘暗星’的超大恒星。」
然而，另一些天文學家卻提出了不少質疑。「暗星的存在是一個非常有爭議的理論設想。」美國科爾蓋特大學的科斯明·伊利認為，如果它們確實存在，那將不僅是某種特殊暗物質存在的證據，還可幫助破解宇宙學中的最大謎團之一——驅動星系演化的超大質素黑洞的神秘起源。
能量驅動
暗物質狂暴湮滅
宇宙中充滿了暗物質，但我們無法直接看到它，因為它不與光發生作用。但暗物質確實存在，它會透過扭曲時空產生「透鏡效應」而暴露自己的存在。
這種重力透鏡效應指的是天體物理學的一種現象，即大質素的天體會扭曲周圍的時空和光線，使得周圍其他能讓我們看到的天體產生像移和變形。「我們有大量證據證明暗物質的重力性質。」美國猶他大學的珀爾·桑迪克說，「它確實存在，而且我們知道它在哪裏。」
透過天文學家的觀測結果，我們知道，宇宙物質的27%是由暗物質構成的，與暗物質同樣神秘的暗能量則占構成宇宙物質的68%，且驅動著宇宙向外膨脹。我們平時接觸到的普通物質只有5%，即包括構成椅子桌子以及人體等在內的所有物質。
雖然我們對暗物質已有所了解，但目前還無法對其進行精確描述。20世紀後期，物理學引入了「候選粒子」的概念，即弱相互作用大質素粒子，簡稱為WIMP。這種粒子的質素是質子的1000倍，它不與普通物質相互作用，但它們互相之間的作用非常強烈，甚至可以稱得上狂暴。兩個WIMP粒子在一起會導致湮滅，同時以Gamma射線的形式產生巨大能量。
據此，天文學家推匯出暗物質在早期宇宙中的行為表現。距今大約138億年前，宇宙大爆炸發生之後，宇宙中充滿了一團團亂糟糟的各種粒子，不過這些粒子的結構都不太復雜。暗物質的移動速度較正常物質慢，因此在重力作用下更容易聚集在一起形成星團。在宇宙歷史的最初200萬年裏，暗物質聚集在一起形成被稱為「微型暗暈」的巨大星團。此後，這些星團也吸收普通物質，形成恒星和星系。
弗裏斯推斷，如果這些微型暗暈裏充斥著大量WIMP粒子，可能就會導致很有意思的天體演化過程——這種過程與普通恒星誕生類似，所產生的卻是一種新形式的恒星，「這可能天文學界尚不了解的一個過程」。
普通星際物質構成星塵和氣體，壓縮凝結後形成恒星。在重力作用下，氫原子和氦原子被擠壓在一起，達到臨界點時，核聚變過程開始，形成星核。恒星誕生過程中，向內擠壓的重力與核聚變產生的向外推動力正好互相平衡。
一些暗暈團中，如果暗物質密集度足夠高，WIMP粒子的互相湮滅現象就可產生足夠能量來阻止普通物質達到臨界密度，核聚變將永遠不會發生。為此，在暗暈團中會形成與普通恒星完全不同的天體，它們直到比普通恒星質素大得多的時候才會最終穩定下來，其質素可達太陽的數百萬倍。弗裏斯推測，巨大的熱源可防止這些星團不再凝結，熱源的巨大能量來自暗物質。
宇宙時間軸插圖 圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss
暗星塌縮
或成超大黑洞起源
暗恒星中的暗物質含量雖然很低，只有0.1%，但足以產生每秒數萬億次湮滅，使恒星發出令人難以置信的明亮的白色或藍色光芒。弗裏斯認為，從這個意義上說，「暗星」之名可能與事實並不相符。暗星實際上可能會非常亮，甚至在早期宇宙中照亮整個星系，「它們的亮度可以達到太陽的十億倍」。
多年來，弗裏斯發表了一系列關於暗星的論文。最早於2008年發表的論文是與她的兩位同事合作的，論文的發表在當時引發了激烈爭論。美國芝加哥大學的丹·奧佩爾回憶說，「當時我聽到很多人在談論這個問題，言辭激烈，甚至互相叫嚷，我也不知道誰對誰錯。」
但弗裏斯的理論在當時也得到了一些人的支持。「我認為這是一個絕妙的設想，絕對有這個可能性。」桑迪克說。事實上，設想中的怪異恒星並不只是「暗星」，還有雙面恒星、玻色子星、混合星等等。
有充分理由相信，這些理論上的恒星都是存在的。除了形成不同尋常類別的恒星之外，暗物質還有可能為一個重大的宇宙謎團提供答案：超大質素黑洞的起源。這些宇宙中的龐然大物通常位於星系中心，黑洞的密度極大，甚至連光線都無法從中逃逸出來。
當我們望向太空深處遙遠的早期宇宙時，可以看到年齡小於10億年的星系，其星系中心的超大質素黑洞的質素是太陽的10億倍。這些黑洞快速成長的原因一直是個謎。阿聯酋大學的穆罕默德·拉蒂夫說：「在早期宇宙中，如此巨大黑洞的並合是一個很大的謎團。」據猜測，它們可能是由較小的黑洞並合而成的，但似乎沒有足夠的時間讓這種情況發生。
所有的暗星在燃料完全耗盡之後，就會坍塌成為黑洞。一些巨大的超大質素暗星形成的黑洞同樣也是龐然大物，其質素之大可相當於數百萬個太陽。暗恒星好比數百萬倍太陽質素的種子，它們融合在一起，形成十億倍太陽質素的黑洞，這可能就是超大黑洞的起源。
本世紀初的十多年，暗星理論研究遇到了一些阻礙。隨著構成暗物質的其他候選粒子的出現，WIMP粒子存在的理由被弱化。由於沒有證據證明WIMP粒子的存在，許多物理學家用一種較輕的被稱為「軸子」的理論粒子來解釋暗物質的存在。但軸子太輕，無法產生形成暗恒星的足夠能量。
還有一些科學家，比如英國倫敦大學瑪麗皇後學院的伯納德·卡爾認為，暗物質根本不是由某種神秘粒子組成的，而是源於早期宇宙產生的黑洞，這些黑洞被稱為「原始黑洞」。
不過，弗裏斯對暗星理論研究的前景持樂觀態度。2022年，她和同事提出，形成暗恒星的也許不一定是WIMP粒子，可能還有其他暗物質候選粒子。根據目前比較流行的理論，暗物質仍被認為是一種粒子，但它與自身的相互作用更強。
紅色暗影
更多確鑿證據待尋
2023年，更強大占士·韋伯太空望遠鏡（JWST）又有了新的發現。
JWST於2021年12月發射升空，其鍍金反射鏡可為紅外波長提供最高的反射率和最高的環境穩定性，能夠深入宇宙深處，窺探宇宙遙遠過去的歷史。它新發現的星系可追溯到宇宙形成的最初幾億年，這些星系的形成時間比其他任何太空望遠鏡觀察到的都更早。
觀察結果表明，早期宇宙中的明亮天體比預想中的要多得多。令天文學家感到奇怪的是，一般來說，星系開始發光約在宇宙大爆炸之後幾十億年，但JWST發現的許多星系的形成時間似乎要比這個時間點早得多。
2023年6月，JWST高級深銀河系外巡天計劃（JADES）研究團隊的天文學家宣布，新發現的候選星系中最早的可追溯到宇宙大爆炸後的3.2億年。弗裏斯和同事很快撰文提出，這些在JWST看起來發紅的模糊暗影，可能並非是星系，而是一顆顆暗星。
弗裏斯如此推斷的理由是，其中三顆暗星看起來就像恒星一樣呈圓形，而不是像星系般呈現絲絲縷縷的稀疏飄渺狀。這些天體與暗星模型非常契合，其產生的光線也與對暗星的預期一致。在兩顆候選暗星中，其中一顆的質素估計是太陽的100萬倍，另一顆的質素也有太陽的50萬倍左右。
不過，這些推測中的暗星也可能是非常小的星系，由於比較模糊，看起來像是一個個光點。JADES團隊認為，目前還沒有明確證據表明存在暗星模式。JADES團隊成員、美國亞利桑那大學的瑪麗卡·歷克爾對暗星的存在持謹慎態度。她指出，三個候選星系中的兩個似乎具有小星系呈稀疏狀的特征，而第三個可能只是一個致密星系，「要確認暗星，還需要有相當確鑿的證據」。
為此，天文學家還在收集更多證據。例如，JADES收集到的後半部份數據中包括了這些天體的詳細光譜數據，即它們發出光的波長。如果這些神秘天體真的是暗星，應該能夠捕捉到氦的電離形式，即氦Ⅱ的特征，天文學家可以看到氦Ⅱ吸收和發出特定波長的光。「氦Ⅱ的特征是暗星的確鑿證據。」波林說。
有了JWST的強大的觀測能力，天文學家有可能發現更多候選暗星。目前，只有JWST擁有發現暗星的能力，而美國太空總署將於2027年發射的羅馬太空望遠鏡可能擁有同樣強大的能力。
一些天文學家仍難以接受像暗星這類在他們看來有些異想天開的想法。但我們的宇宙充滿了各種奇異的東西，「我們周圍不乏許多不可思議的神秘事物，為什麽我們不能接受宇宙中有可能存在暗星的觀點呢？」卡爾說。
>>>延伸閱讀
宇宙中的奇特恒星
暗恒星不是太空中唯一的奇特恒星，天文學家可能還會發現更多奇特恒星，但或許有些奇特恒星我們永遠也發現不了。
雙面恒星「雅努斯」
2023年7月，天文學家宣布發現一顆明顯從中間分為兩個半球的恒星——一個半球由氦組成，另一個半球由氫組成，就像羅馬神話中的雅努斯神不同的兩半臉。這顆恒星可能只在某個奇特的時刻才能被看到，即處於從燃燒氦到燃燒氫的轉變過程中，這是許多白矮星所要經歷的一個過程。
索恩-齊特科天體
索恩-齊特科天體也被稱為「混合星」，它就像一個俄羅斯套娃，一顆中子星巢狀存在另一顆普通恒星內。這可能是兩顆恒星碰撞並合的結果，在它們短暫的生命中，看起來與其他大恒星沒有什麽區別。
不過，以上這些仍然都只是理論上的假設，要發現這類恒星，將重力波測量和恒星內部元素觀測結合起來，可能是唯一辦法。
玻色子星
在什麽情況下，一種天體是黑洞而非黑洞呢？當它是玻色子恒星時。恒星通常由費米子構成，費米子是構成物質的粒子。但是玻色子（自然界中攜帶力的粒子）有可能以幾乎無限的數量聚集在一起，誕生出一種透明天體，這種天體對周圍物體會施加巨大重力。
不過，這類天體與黑洞幾乎無法區分，這也是為什麽天文學家還沒有想出能夠輕易發現它們的好辦法。
作者：方陵生/編譯
文：方陵生/編譯圖：視覺中國編輯：許琦敏責任編輯：任荃
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