暗物质可能在银河系中心形成暗矮星

暗矮星的艺术表现。来源：Sissa Medialab员工用Adobe Illustrator创作

一位艺术家对太阳、低质量恒星、褐矮星、木星和地球的相对大小的描绘。尺寸是按比例的，但距离不是。图片来源：木星：美国国家航空航天局、欧洲航天局和A.Simon（美国国家航空宇航局、GSFC）。太阳和低质量恒星：美国国家航空航天局，SDO。褐矮星：美国国家航空航天局、欧洲航天局和加州理工学院喷气推进实验室。地球：美国国家航空航天局。信息图：美国国家航空航天局和E.惠特利（STScI）

（蜘蛛网eeook.com）据《今日宇宙》（作者：Evan Gough）：暗物质是自然界最令人困惑的谜团之一。它让粒子物理学家夜不能寐，让宇宙学家全神贯注于他们的超级计算机模拟。我们知道它是真实的，因为它的质量可以防止星系分裂。但我们不知道它是什么。

暗物质不喜欢其他物质，可能更喜欢自己的陪伴。虽然它似乎不与普通重子物质相互作用，但它可能会与自身发生反应并自我湮灭。它需要一个紧凑的环境来实现这一点，这可能会导致天体物理学家最终能够探测到它。

新的理论研究概述了这种情况是如何发生的，并指出亚恒星物体，基本上是褐矮星，可能是这一过程的宿主。这项研究题为“暗矮星：银河系中心等待发现的暗物质驱动的次恒星物体”，发表在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上。主要作者是Djuna Croon，他是达勒姆大学物理系粒子物理现象学研究所的理论物理学家和助理教授。

褐矮星是比行星大但质量不足以引发氢聚变的亚恒星物体。当褐矮星形成时，它们遵循与恒星相同的过程。但不幸的是，它们的气体积聚会停滞并阻碍它们的生长。它们的质量不足以引发氢聚变，注定要一辈子都处于黑暗之中。它们通过短暂的氘聚变和引力收缩产生一些热量，但它们永远不会像恒星那样发光。

在光度方面，它们比白矮星暗淡，但比木星等气态巨星略亮。随着时间的推移，褐矮星冷却下来，变得越来越暗。众所周知，褐矮星因其昏暗和低质量而难以探测。

Croon和她的同事们认为，暗物质湮灭可能会使一些褐矮星被探测到。暗物质粒子可能是它们自己的反粒子，当它们的密度很高时，可以相互湮灭。根据E=mc2，它们的湮灭将质量转化为能量，并从标准模型中产生光子、电子和正电子等粒子。

合著者Jeremy Sakstein在一份新闻稿中解释说：“暗物质通过引力相互作用，因此它可以被恒星捕获并积聚在恒星内部。”。“如果发生这种情况，它也可能与自身相互作用并湮灭，释放出加热恒星的能量。”Sakstein是夏威夷大学的物理学教授。

银河系中心附近有更多的暗物质，作者认为这是足够的暗物质在褐矮星中积累以发生自我湮灭的地方。当这种情况发生时，它会产生另一种亚恒星物体：暗矮星。

Sakstein解释说：“这些物体收集的暗物质有助于它们成为暗矮星。你周围的暗物质越多，你能捕获的就越多。”。“而且，恒星内部的暗物质越多，其湮灭产生的能量就越多。”

暗物质有许多候选粒子。其中之一是弱相互作用大质量粒子（WIMP），只有当WIMP确实是暗物质时，这个理论模型才有效。“为了使暗矮星存在，暗物质必须由WIMP或任何与自身强烈相互作用以产生可见物质的重粒子组成，”Sakstein说。

如果我们能探测到这些暗矮星，我们基本上就是在探测暗物质。检测依赖于锂-7，这是一种天然存在的锂同位素，是所有锂同位素中含量最丰富、最稳定的。正常的褐矮星会耗尽它们的锂-7，而暗矮星会保留它。

作者写道：“DD在几个方面与褐矮星/红矮星在物理上不同。”。它们的质量稍大，主要由DM湮灭提供动力，并增加了稳定氢聚变的成分。它们的光度、半径和有效温度随时间保持恒定。作者还解释说，这些暗矮星会保留锂，而褐矮星的核燃烧会耗尽锂。

研究人员写道：“锂测试是确认物体是褐矮星的主要方法。”。天文学家利用恒星光谱中的锂线来追踪褐矮星和年轻恒星的核心温度历史，并确定它们所处的进化时代。

研究人员在他们的论文中写道：“在比锂燃烧极限更重的物体中检测到锂-7，将为DM加热的存在提供证据。”。“其结果是，尽管DD的质量相对较大，恒星年龄也较老，但它们的锂丰度可以通过其增强来识别。”他们还表明，随着时间的推移，锂的保留量是质量和暗物质密度的函数。

Sakstein解释说：“有一些标记，但我们建议使用锂-7，因为这确实是一种独特的效应。”。普通恒星会迅速消耗锂-7。“因此，如果你能找到一个看起来像暗矮星的物体，你可以寻找这种锂的存在，因为如果它是褐矮星或类似的物体，它就不会存在。”

Sakstein说，暗矮星是极冷的物体，虽然JWST可能能够探测到它们，但可能还有另一种方法。“你可以做的另一件事是观察整个物体群体，并以统计的方式询问，是否有一个子群体的暗矮星更好地描述它。”

发现暗矮星将大大有助于回答关于暗物质性质的问题。如果我们能探测到一些暗矮星，这将支持暗物质是WIMP的观点。

Sakstein说：“对于亮暗物质候选者，比如轴子，我认为你无法得到像暗矮星这样的东西。”。Sakstein总结道：“它们不会在恒星内部积累。如果我们设法找到一颗暗矮星，它将提供令人信服的证据，证明暗物质很重，并且与自身有强烈的相互作用，但与标准模型的相互作用很弱。这包括WIMP的类别，但也包括一些其他更奇特的模型。”。

“观察暗矮星并不能最终告诉我们暗物质是WIMP，但这意味着它要么是WIMP要么在所有意图和目的上都表现得像WIMP。”