新研究暗示暗物質(zhì)可能在悄悄為我們星系中心的一個(gè)隱藏種群提供能量。

在我們星系中心附近的寂靜深處，一群“失敗的恒星”身上可能正在發(fā)生不尋常的事情。這些被稱(chēng)為褐矮星的天體，太小不足以像真正的恒星那樣發(fā)光，又太大而不能被稱(chēng)為行星。

隨著時(shí)間的推移，它們本應(yīng)冷卻下來(lái)，逐漸隱入黑暗。然而，根據(jù)一項(xiàng)新研究，其中一些褐矮星可能正在從周?chē)h(huán)境中吸收暗物質(zhì)，從而引發(fā)一種奇特的轉(zhuǎn)變。

該研究的作者提出，一些褐矮星在合適的條件下，可能會(huì)聚集足夠的暗物質(zhì)，從而開(kāi)始發(fā)出微弱的光芒 —— 這并非源于核聚變，而是因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子在它們內(nèi)部相互湮滅。

如果這是真的，這些原本暗淡、被忽視的天體 —— 研究作者稱(chēng)之為“暗矮星”（dark dwarfs） —— 就可能成為探尋暗物質(zhì)的強(qiáng)大工具。

研究的合著者之一、夏威夷大學(xué)教授杰里米·薩克斯坦（Jeremy Sakstein）表示：“暗物質(zhì)通過(guò)引力相互作用，因此它可能被恒星捕獲并在其內(nèi)部積聚。如果發(fā)生這種情況，它也可能與自身相互作用并湮滅，釋放出加熱恒星的能量。”

暗物質(zhì)供能恒星的跡象

暗矮星的概念源于一個(gè)簡(jiǎn)單而有力的疑問(wèn)：如果褐矮星身處富含暗物質(zhì)的環(huán)境中，會(huì)發(fā)生什么？這個(gè)問(wèn)題之所以重要，還因?yàn)楹职潜旧砭吞幱诤阈呛托行侵g的灰色地帶。

研究團(tuán)隊(duì)試圖找到這個(gè)問(wèn)題的答案。他們專(zhuān)注于一種特定的暗物質(zhì)候選者 —— WIMPs（弱相互作用大質(zhì)量粒子）。這些假想中的粒子被認(rèn)為質(zhì)量很大，并且?guī)缀跄懿皇艿礁蓴_地穿過(guò)普通物質(zhì)。

然而，在合適的條件下，它們可能會(huì)相互碰撞并通過(guò)湮滅釋放能量。在我們星系中心等區(qū)域（據(jù)信那里暗物質(zhì)密集分布），褐矮星隨著時(shí)間的推移可能會(huì)吸入足夠的WIMPs，從而引發(fā)這一過(guò)程。

一旦天體內(nèi)部積聚了足夠的暗物質(zhì)，這些粒子就可能開(kāi)始湮滅并產(chǎn)生能量。薩克斯坦補(bǔ)充道：“恒星內(nèi)部的暗物質(zhì)越多，通過(guò)湮滅產(chǎn)生的能量就越多。”

這種能量不足以像恒星那樣點(diǎn)亮矮星，但足以阻止它冷卻，將其變成一個(gè)長(zhǎng)壽、發(fā)出微光的物體 —— 即暗矮星。引人注目的是，釋放的能量多少并不取決于暗物質(zhì)的構(gòu)成成分，而是取決于其周?chē)陌滴镔|(zhì)密度以及暗物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度。

這使得銀河系中心（銀河系的中心區(qū)域）成為形成暗矮星的主要區(qū)域，因?yàn)閾?jù)目前估計(jì)，那里的暗物質(zhì)密度達(dá)到峰值，超過(guò)每立方厘米1000吉電子伏特（GeV）。研究作者指出：“我們預(yù)測(cè)在靠近銀河系中心的地方存在一個(gè)暗矮星種群，那里的暗物質(zhì)密度預(yù)計(jì)為 ρDM ? 103 GeV/cm3。”

研究團(tuán)隊(duì)還將鋰-7確定為一種特定的特征標(biāo)志，可以幫助天文學(xué)家區(qū)分暗矮星和普通褐矮星。在典型的褐矮星中，這種形態(tài)的鋰在其演化的早期階段就被摧毀了。然而，暗矮星由于其核心溫度較低，會(huì)保留其鋰-7。

因此，如果科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)天體質(zhì)量過(guò)大，在正常情況下本應(yīng)無(wú)法保留鋰，卻仍然含有鋰-7，這可能是暗物質(zhì)在維持其“生命”的有力證據(jù)。研究作者指出：“在質(zhì)量超過(guò)鋰燃燒極限的天體中發(fā)現(xiàn)鋰-7，將為暗物質(zhì)加熱的存在提供證據(jù)。”

我們真能找到暗矮星嗎？

如果暗矮星被發(fā)現(xiàn)，它們可能為研究暗物質(zhì)開(kāi)辟一條新途徑 —— 一條不依賴地下探測(cè)器或高能實(shí)驗(yàn)的途徑。僅僅觀測(cè)星系中這些安靜的天體，就能告訴我們暗物質(zhì)是否能與自身相互作用并產(chǎn)生可見(jiàn)效應(yīng)。

它還將幫助科學(xué)家縮小暗物質(zhì)可能是什么的范圍。例如，像軸子（axions）這樣的輕量級(jí)候選粒子不會(huì)產(chǎn)生這種加熱效應(yīng)，因此發(fā)現(xiàn)一個(gè)暗矮星將暗示暗物質(zhì)是由WIMPs這樣更重、能自我湮滅的粒子構(gòu)成的。

然而，尋找暗矮星并非易事。它們溫度低、亮度暗、距離遙遠(yuǎn)。即使是像詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）這樣先進(jìn)的儀器，也可能難以觀測(cè)到它們。不過(guò)，這時(shí)鋰元素就能發(fā)揮作用了。

研究人員認(rèn)為，天文學(xué)家可以尋找富含鋰的亞恒星天體（sub-stellar objects）的異常種群，或者使用統(tǒng)計(jì)方法觀察一群暗弱的恒星是否表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)無(wú)法解釋的行為。

薩克斯坦說(shuō)：“我們之所以提出鋰-7，是因?yàn)樗鼘⑹且粋€(gè)非常獨(dú)特的效果。你可以尋找這種鋰的存在，因?yàn)槿绻且粋€(gè)褐矮星或類(lèi)似的天體，這種鋰就不會(huì)存在。”

研究作者現(xiàn)在計(jì)劃完善他們的模型，并與觀測(cè)者合作，特別是在銀河系中心附近搜尋暗矮星。

該研究已發(fā)表在《宇宙學(xué)與天體粒子物理學(xué)雜志》上。

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