当黑暗在燃烧：银河系心脏中暗矮星的奇异生命

新研究暗示暗物质可能在悄悄为我们星系中心的一个隐藏种群提供能量。

在我们星系中心附近的寂静深处，一群“失败的恒星”身上可能正在发生不寻常的事情。这些被称为褐矮星的天体，太小不足以像真正的恒星那样发光，又太大而不能被称为行星。

随着时间的推移，它们本应冷却下来，逐渐隐入黑暗。然而，根据一项新研究，其中一些褐矮星可能正在从周围环境中吸收暗物质，从而引发一种奇特的转变。

该研究的作者提出，一些褐矮星在合适的条件下，可能会聚集足够的暗物质，从而开始发出微弱的光芒 —— 这并非源于核聚变，而是因为暗物质粒子在它们内部相互湮灭。

如果这是真的，这些原本暗淡、被忽视的天体 —— 研究作者称之为“暗矮星”（dark dwarfs） —— 就可能成为探寻暗物质的强大工具。

研究的合著者之一、夏威夷大学教授杰里米·萨克斯坦（Jeremy Sakstein）表示：“暗物质通过引力相互作用，因此它可能被恒星捕获并在其内部积聚。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。”

暗物质供能恒星的迹象

暗矮星的概念源于一个简单而有力的疑问：如果褐矮星身处富含暗物质的环境中，会发生什么？这个问题之所以重要，还因为褐矮星本身就处于恒星和行星之间的灰色地带。

研究团队试图找到这个问题的答案。他们专注于一种特定的暗物质候选者 —— WIMPs（弱相互作用大质量粒子）。这些假想中的粒子被认为质量很大，并且几乎能不受到干扰地穿过普通物质。

然而，在合适的条件下，它们可能会相互碰撞并通过湮灭释放能量。在我们星系中心等区域（据信那里暗物质密集分布），褐矮星随着时间的推移可能会吸入足够的WIMPs，从而引发这一过程。

一旦天体内部积聚了足够的暗物质，这些粒子就可能开始湮灭并产生能量。萨克斯坦补充道：“恒星内部的暗物质越多，通过湮灭产生的能量就越多。”

这种能量不足以像恒星那样点亮矮星，但足以阻止它冷却，将其变成一个长寿、发出微光的物体 —— 即暗矮星。引人注目的是，释放的能量多少并不取决于暗物质的构成成分，而是取决于其周围的暗物质密度以及暗物质的运动速度。

这使得银河系中心（银河系的中心区域）成为形成暗矮星的主要区域，因为据目前估计，那里的暗物质密度达到峰值，超过每立方厘米1000吉电子伏特（GeV）。研究作者指出：“我们预测在靠近银河系中心的地方存在一个暗矮星种群，那里的暗物质密度预计为 ρDM ≳ 10³ GeV/cm³。”

研究团队还将锂-7确定为一种特定的特征标志，可以帮助天文学家区分暗矮星和普通褐矮星。在典型的褐矮星中，这种形态的锂在其演化的早期阶段就被摧毁了。然而，暗矮星由于其核心温度较低，会保留其锂-7。

因此，如果科学家发现一个天体质量过大，在正常情况下本应无法保留锂，却仍然含有锂-7，这可能是暗物质在维持其“生命”的有力证据。研究作者指出：“在质量超过锂燃烧极限的天体中发现锂-7，将为暗物质加热的存在提供证据。”

我们真能找到暗矮星吗？

如果暗矮星被发现，它们可能为研究暗物质开辟一条新途径 —— 一条不依赖地下探测器或高能实验的途径。仅仅观测星系中这些安静的天体，就能告诉我们暗物质是否能与自身相互作用并产生可见效应。

它还将帮助科学家缩小暗物质可能是什么的范围。例如，像轴子（axions）这样的轻量级候选粒子不会产生这种加热效应，因此发现一个暗矮星将暗示暗物质是由WIMPs这样更重、能自我湮灭的粒子构成的。

然而，寻找暗矮星并非易事。它们温度低、亮度暗、距离遥远。即使是像詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）这样先进的仪器，也可能难以观测到它们。不过，这时锂元素就能发挥作用了。

研究人员认为，天文学家可以寻找富含锂的亚恒星天体（sub-stellar objects）的异常种群，或者使用统计方法观察一群暗弱的恒星是否表现出标准物理学无法解释的行为。

萨克斯坦说：“我们之所以提出锂-7，是因为它将是一个非常独特的效果。你可以寻找这种锂的存在，因为如果它是一个褐矮星或类似的天体，这种锂就不会存在。”

研究作者现在计划完善他们的模型，并与观测者合作，特别是在银河系中心附近搜寻暗矮星。

该研究已发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上。

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