银河系中心的黑洞大餐

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三·太空探索|周四·观测指南

周五·深空探索|周六·茶余星话|周日·视频天象

翻译：马啸然

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡 李子琦

责任编辑：王启儒

原文发布于space.com

引言

由暗物质湮灭补给的永生恒星(Image credit: Robert Lea (created with Canva))

“美好的事物也总有结束的时候。” 这句格言在宇宙中同样适用。

恒星和其他事物一样，终有一天会迎来死亡。当恒星核心聚变反应所需的燃料耗尽时，各种大小的恒星都会在自身引力作用下坍塌，最终形成致密的宇宙残骸，如白矮星、中子星或黑洞。我们自己的恒星——太阳，也将在大约50亿年后迎接这样的命运。届时太阳会膨胀成红巨星，摧毁包括地球在内的数个行星。再过大约10亿年后，这一膨胀阶段结束，太阳的核心将变成一颗白矮星，周围环绕着冷却的恒星物质形成的灰烬云。

科学家们早已总结出了赫罗图: 一张描绘恒星诞生、演化和死亡的图表。该图表包含了各种质量的恒星，从主序星的氢燃烧到致密残骸的整个演化过程。

然而新的研究表明，银河系中心的一些恒星可能并不符合我们关于恒星生命周期现有的最佳模型。这些恒星可能以宇宙中最神秘的物质——暗物质为食，从而赋予自己不朽的能力，这就需要我们构建一个“暗赫罗图”。

卡夫里粒子天体物理与宇宙学研究所的研究团队负责人伊莎贝尔·约翰表示“银河系的中心是一个非常极端的环境，与我们所在的位置大不相同”

“最靠近银心的‘S星团恒星’非常令人费解。它们展示出了一系列在其他地方前所未见的特征：我们不清楚它们为什么如此接近中心，这个环境被认为对恒星形成非常不利。”

约翰补充说，如果这些恒星是从银河系其他地方迁移到这一地区的，那么这些位于银河系中心约三光年范围内的恒星们比预期中的要年轻得多。“更神秘的是，这些恒星不仅看起来异常年轻，星团中的老年恒星也比预期中的少，此外，大质量恒星的数量也超过预期。”

GRAVITY 观察到银河系中心的两个S星团(Image credit: ESO/MPE/S. Gillessen et al.)

约翰和同事们假设，导致这些不寻常特征的原因可能是这些恒星聚集了大量的暗物质在它们体内湮灭。这个过程可能为它们提供了一种全新形式的燃料补给。

“我们的模拟显示，恒星可以仅依靠暗物质作为燃料存活，并且由于银河系中心有大量的暗物质，这足以让这些恒星永生，”约翰补充道。“这非常有趣，因为我们的模拟展示出了与对S星团恒星的观测结果相似的结果：以暗物质为燃料可以让恒星永葆青春。”

“永生恒星的概念可以同时解释S星团恒星的许多不寻常特性。如果银河系中心的恒星由于大量暗物质而变得不朽，则可以解释为什么银河系中心有如此大量年轻的恒星并且缺乏老年恒星。”

暗物质最大的敌人是自己

暗物质对物理学家来是个难题，它占据了宇宙质量的85%，却是不可见的，它不与光相互作用。此外，暗物质似乎也不与“普通物质”相互作用。普通物质由质子、中子和电子组成，它包括了宇宙中的所有恒星、行星、卫星、小行星、彗星、气体、尘埃和生物。

科学家只能推测出暗物质的存在，因为它参与重力作用，而重力可以影响普通物质，甚至是光。即使暗物质与普通物质之间确实有相互作用，这些相互作用也必然是罕见且微弱的；科学家们认为我们从未检测到过这样的相互作用。

我们不确定的是暗物质是否与自身相互作用。普通物质粒子都有一个反物质版本，例如对于负电荷的电子，有一个正电荷的反粒子，称为正电子。当物质与反物质相遇时，它们会互相湮灭，释放出能量。

暗物质粒子候选者，称为“WIMPS”，相遇并湮灭，产生一连串已知粒子和光子形式的能量。(Image credit: Gao Linqing and Lin Sujie)

“暗物质湮灭类似于物质和反物质的湮灭：如果一个粒子和它的反粒子相遇，它们会被摧毁并产生其他粒子，例如光子。类似地，暗物质粒子也可能以这种方式湮灭，”约翰说。“在许多暗物质模型中，暗物质粒子被认为是它们自己的反粒子，这意味着任何两个暗物质粒子都可以互相湮灭。”

然而我们没有看到过暗物质的湮灭，它一定相当罕见。这意味着它更有可能发生在一个聚集了大量暗物质的环境中。也许在恒星核心的高密度区域，由于超强的压力作用，暗物质之间的相互作用也会很强。

太阳可以永生吗

主序星在其一生中通过核聚变过程燃烧氢产生氦，同时释放平衡星体自身引力向内推动的向外“辐射压力”。这种辐射压力和重力之间的拔河可以持续数百万甚至数十亿年，并让恒星稳定在平衡状态。

“在恒星一生的大部分时间里，这些过程都主要发生在恒星核心，那里压力最大，”约翰说。“我们发现如果恒星吸积大量暗物质并在恒星内部湮灭，也可以提供一种向外的压力，使恒星由于暗物质湮灭而不是核聚变而稳定。因此，恒星可以用暗物质作为燃料，而不是氢。”

“恒星消耗自身的氢，最终必然走向死亡。但是暗物质可以不断被收集，这使得这些恒星得以永生。”

那么太阳可以通过转向这种替代燃料源来获得永生吗？约翰认为不行，太阳位于银河系旋臂的中途而不是其中心位置，无法接触到这种源源不断的暗物质来源。

“恒星需要非常大量的暗物质来有效地替代核聚变。在银河系的大部分区域，暗物质的密度不足以显著影响恒星。但在银河系中心，暗物质的密度非常高，可能比地球附近高出数十亿倍，这提供了使恒星永生所需的暗物质，”约翰解释道。“所以我们的太阳并不是不朽的。”

太阳在银河系半径的中间位置, 无法靠吸积暗物质永生. (Image credit: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC-Caltech))

约翰补充说，团队的发现可能揭示了许多关于暗物质本身以及它可以驱动的不朽恒星的秘密。“我们的发现表明暗物质可以与普通粒子散射，这是捕捉恒星内部暗物质粒子所需的减速条件——此外，暗物质粒子可以相互湮灭，通过观察银河系中心永生恒星的分布，我们还可以获得有关银河系中心暗物质分布和密度的一些信息。”

要验证这些发现，天文学家需要对银河系最内层恒星进行更精确的观测，以确定这些恒星是否位于所谓“暗主序”中。他们还打算确定暗物质湮灭对不同恒星的影响，初步模拟表明，当轻质量恒星转向暗物质燃料时，它们会膨胀并脱落外层。这可能解释了在银河系中心发现的所谓“G-物体”的特征: 这些恒星体似乎被气体云所包围。

“到目前为止，我们的工作主要集中在主序星上。我们还想了解暗物质如何影响已经离开主序并经历不同核聚变过程的恒星在晚期的演化，”约翰说。“我们得到的结果着实令人兴奋，它为恒星观测提供了一种额外且独特的方法来研究暗物质与普通物质的相互作用。”

————— END —————

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

别想跑

来源: Reddit

谢谢阅读