天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测数据，可能首次发现了宇宙中被称为"暗星"的特殊天体。在大爆炸后最初几亿年内，宇宙最早的恒星从原始的氢和氦气云中诞生。詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的最新观测表明，这些原始天体中的某些可能与天文学家数千年来观测和分类的常规核聚变恒星截然不同。
由科尔盖特大学的科兹明·伊利主导的研究团队，联合该校2026届学生沙法特·马哈茂德、宾夕法尼亚大学的2023届校友吉利安·保林，以及德克萨斯大学奥斯汀分校的凯瑟琳·弗里斯，最近报告了四个极其遥远的天体。这些天体的观测光谱和形态特征都与超大质量暗星相符。
"超大质量暗星是极其明亮、巨大但蓬松的气体云，主要由氢和氦组成，它们依靠内部微量的自毁暗物质来抵抗引力坍塌，"伊利表示。
研究人员认为，超大质量暗星及其留下的黑洞有助于解决天文学中两个活跃的问题：一是为什么JWST发现了比预期更多的极其明亮且紧密的遥远星系；二是驱动最遥远类星体的超大质量黑洞最初是如何形成的。
弗里斯与道格·斯波利亚尔和保罗·贡多洛最初发展了暗星理论。他们于2008年在《物理评论快报》上发表了关于这一理论的首篇同行评议论文。在2010年的一项研究中，弗里斯、伊利、斯波利亚尔等合作者确定了暗星可能发展为超大质量的两种机制，并预测这些暗星可能是宇宙中许多最遥远类星体中超大质量黑洞的种子。
尽管暗物质约占宇宙的25%，但其本质一直困扰着科学家。目前普遍认为暗物质由一种新型基本粒子组成，但尚未被观测或探测到。在寻找暗物质粒子的数十年努力中，尚未发现确凿证据。其中一个主要候选者是弱相互作用大质量粒子。理论上，当这些粒子相撞时会自毁，将热量注入坍塌的氢气云中，将其转化为明亮闪耀的暗星。
在2023年《美国国家科学院院刊》发表的研究中，伊利、保林和弗里斯利用JWST相机的测光数据，首次识别出三个超大质量暗星候选者。此后，JWST的近红外光谱仪提供了这些及其他几个极其遥远天体的光谱数据。
现在包括沙法特·马哈茂德在内的研究团队，分析了四个迄今观测到的最遥远天体的光谱和形态特征。这四个天体分别是JADES-GS-z14-0、JADES-GS-z14-1、JADES-GS-13-0和JADES-GS-z11-0，每个都符合超大质量暗星的解释。
其中JADES-GS-z14-1呈点状光源，与极其遥远的超大质量恒星特征一致。其他三个极其紧密，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。分析的四个天体也都符合文献中的星系解释。暗星具有特征性标识——1640埃的吸收特征，这是由于其大气中大量的单电离氦造成的。事实上，四个天体中的一个确实显示了这一特征的迹象。
"这项研究最激动人心的时刻之一是我们在JADES-GS-z14-0的光谱中发现了1640埃的吸收凹陷。虽然这一特征的信噪比相对较低（约为2），但这是我们首次发现暗星的潜在特征性标识，这本身就很了不起，"伊利说。
使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)的天文学家测量了同一天体的光谱，通过星云发射线揭示了氧的存在。研究人员表示，如果两个光谱特征都得到证实，这个天体就不能是孤立的暗星，而可能是嵌入富金属环境中的暗星。这可能是合并的结果，即承载暗星的暗物质晕与星系合并。或者，正如研究人员现在意识到的那样，暗星和常规恒星可能在同一宿主晕中形成。
超大质量暗星的识别将开辟基于这些天体观测特性了解暗物质粒子的可能性，并将建立天文学的新领域：暗物质驱动恒星的研究。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究是朝着这一方向迈出的关键一步。
该研究得到了科尔盖特大学研究委员会、皮克跨学科科学研究所、美国能源部高能物理项目办公室、瑞典研究委员会、LSST发现联盟、布林森基金会、伍德尼克斯特基金会和科学进步研究公司基金会的慷慨资助。
研究论文题为"光谱超大质量暗星候选者"，由科兹明·伊利、赛义德·沙法特·马哈茂德、吉利安·保林和凯瑟琳·弗里斯撰写，于2025年9月30日发表在《美国国家科学院院刊》上。
编译自/ScitechDaily