詹姆斯·韦伯太空望远镜的最新观测暗示，宇宙中的第一批恒星可能并非普通的聚变供能恒星，而是由暗物质湮灭供能的巨大“超大质量暗星”。这些庞大且明亮的氢氦球体可能解释了异常明亮的早期星系的存在，以及首批超大质量黑洞的起源。
“超大质量暗星极其明亮、巨大，但却是蓬松的云团，主要由氢和氦组成，它们依靠内部微量的自湮灭暗物质来抵抗引力坍缩，”Ilie说。超大质量暗星及其黑洞遗迹可能是解决近期两个天文谜题的关键：i. JWST观测到的比预期更大、极其明亮但致密的极远星系；ii. 为观测到的最遥远类星体提供动力的超大质量黑洞的起源。
Katherine Freese与Doug Spolyar及Paolo Gondolo首次提出了暗星的概念，并于2008年在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了关于该概念的同行评审论文。该研究概述了暗星如何在早期宇宙中生长并最终坍缩成超大质量黑洞。2010年，Freese、Ilie、Spolyar及其合作者在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上扩展了该理论，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存在的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，但其本质仍是科学界最大的谜团之一。研究人员认为它由一种尚未被探测到的基本粒子组成。数十年的实验一直在寻找这些粒子，但至今未获成功。一种主要的可能性涉及弱相互作用大质量粒子。当两个WIMP碰撞时，预计它们会相互湮灭，释放出的能量可以加热坍缩中的氢云，使其作为明亮的暗星发光。
大爆炸后几亿年，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。这些区域也是预期第一代普通恒星出现的地方。
“我们首次在JWST数据中确认了光谱学超大质量暗星候选体，包括红移为14的最早天体，仅处于大爆炸后3亿年，”Freese说道，她是德克萨斯大学奥斯汀分校Jeff and Gail Kodosky物理学冠名讲席教授，兼Weinberg研究所和德州宇宙学与天体粒子物理学中心主任。“这些早期暗星的质量是太阳的一百万倍，它们不仅对于帮助我们了解暗物质很重要，而且也是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Ilie、Paulin和Freese于2023年发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一项研究中，利用JWST的NIRCam仪器的光度数据，确认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，JWST的NIRSpec仪器获取了这些天体以及其他几个极远天体的光谱数据。该团队（目前也包括Shafaat Mahmud）分析了有史以来观测到的四个最远天体（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-13-0和JADES-GS-z11-0，发现它们每一个都与超大质量暗星的解释相符。
JADES-GS-z14-1未被分辨，意味着它与点源一致，例如非常遥远的超大质量恒星。另外三个极其致密，可以用为星云（即恒星周围电离的氢和氦气体）提供能量的超大质量暗星来建模。正如文献所示，本研究分析的四个天体也都与星系的解释相符。暗星具有一个确凿的特征，即位于1640埃（Angstrom）处的吸收特征，这是由于其大气中存在大量单电离氦。事实上，在分析的四个天体中，有一个显示了该特征的迹象。
“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埃处的吸收凹陷。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特征。这本身就非同寻常，”Ilie说。
使用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（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，如果这两个光谱特征都得到证实，该天体就不可能是一颗孤立的暗星，而可能是嵌在富金属环境中的暗星。这可能是合并的结果，即容纳暗星的暗物质晕与一个星系合并。或者，正如研究人员现在意识到的那样，暗星和普通恒星可能在同一个宿主晕中形成。
确认超大质量暗星将开启根据观测到的天体性质了解暗物质粒子的可能性，并将建立一个新的天文学领域：暗物质驱动恒星的研究。这项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究是朝此方向迈出的关键一步。
资助致谢：本研究得益于以下机构的慷慨资助：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计划、瑞典研究委员会、LSST发现联盟、Brinson基金会、WoodNext基金会以及科学促进研究公司。