博文
暗物质星
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这是又一篇为10000个科学难题天文学卷撰写的材料
暗物质星
（Dark Matter Stars）
撰稿人：徐怡冬、陈学雷
北京大学天文系、中国科学院国家天文台
1．暗物质与暗物质星
多年来的各种天文观测都表明了宇宙中非重子暗物质的存在，其总质量达普通重子物质的5倍。在诸多暗物质粒子模型中，弱相互作用大质量粒子（WIMPs）符合天文学观测，其早期湮灭过程可以自然地给出今天宇宙中的暗物质含量，因此被认为是暗物质的最佳候选者。典型的WIMP粒子具有非零的核散射截面与自湮灭截面，核散射截面使得暗物质粒子能够有一定的几率与原子核发生弹性碰撞，从而与重子物质产生耦合；而自湮灭截面使得暗物质粒子在宇宙演化后期的高密度区仍进行着快速湮灭过程。
一般认为宇宙的第一代恒星大约形成于红移50至10、质量为106太阳质量左右的暗物质晕中，在这样的暗晕中，普通物质气体可以通过氢分子的谱线辐射而冷却，最终在引力作用下塌缩，其中心的密度和温度升高，直至发生核反应，提供平衡引力所需的能流（参见本书中岳斌、陈学雷关于第一代恒星的文章）。但是，由于宇宙在如此高红移时的密度要远远高于我们今天宇宙的物质密度，我们期待暗物质晕中心会有大量的暗物质粒子且可发生湮灭。暗物质的湮灭对宇宙中第一代恒星的形成会有怎样的影响呢？这个问题直至近来才引起人们的注意。Spolyar,Freese,Gongdolo提出［1］，暗物质晕中气体塌缩的中心可能正是暗晕的中心，暗物质湮灭产生的能量可能足以制止气体塌缩成普通的恒星，而是在较低的密度和较大的尺度就形成达到流体力学平衡的天体，由暗物质粒子的湮灭而不是核反应供能，严格地说，这种天体应该称为暗物质供能星（dark matter powered star),但目前往往把这种天体称为暗物质星（dark matter star）或简称暗星 （dark star）， 尽管它并不主要由暗物质构成（暗物质仅占全星质量的不到千分之一），而且也并不暗—实际上由于体积大，它比一般恒星要亮。
这样一种特殊的供能方式导致了一种全新的恒星演化模式。Freese等人估计[2]，这样暗物质星具有密度低（气体密度仅1013cm-3)、体积大（1－10AU）、质量大（500－1000倍的太阳质量）、光度高（106－107倍太阳光度），以及相比于普通的第一代恒星（星族III恒星）表面温度低（小于10000K）、寿命长（几百万–几十亿年）的特点。不过，这些暗物质星的具体性质，还取决于暗物质粒子的性质和形成的途径，具体的参数可能与上面给出的不同。
一旦我们能够直接或间接地探测到暗物质星，我们将有一个绝佳的研究WIMP粒子性质的途径。而且，暗物质星可能是解释高红移发现的超大质量黑洞的一种途径。另外，暗物质星形成于宇宙的再电离早期，它的形成数量，辐射性质，以及存在寿命都对再电离有着重要影响。因此，暗物质星的研究具有深远的科学意义。
图1.暗物质星示意图
2．暗物质星的形成
暗物质星的研究至今还处于探索性阶段。首先，暗物质星是否能够形成仍然是一个未知的问题。一般来说，暗物质晕的中心引力势能最低，容易成为普通物质的吸积中心。但是，气体的塌缩和吸积过程可能是非球对称的、复杂的、具有一定的随机性，在此过程中如果气体密度分布的中心偏离暗物质晕的中心， 则暗物质星未必能够形成。
如果这一不利因素没有发生，气体将在暗物质晕的中心汇集形成一个小质量的星胚。 暗物质粒子的质量，湮灭速率，恒星中暗物质的密度以及暗物质湮灭的产物决定了暗物质湮灭的产能率。由于现在对于暗物质的组成粒子还没有定论，人们只能假设几种可能的暗物质粒子候选者的质量进行研究；湮灭速率在最简单的情况下由暗物质的热退耦密度确定为<sigma v>=3 • 10-26 cm3 s-1 。暗晕中暗物质本身的密度不足以提供足够的湮灭产能率。但是，气体的收缩造成的引力的变化可能带动暗物质随之收缩（绝热收缩）而增加恒星中暗物质的密度，形成比普通暗物质晕聚集度更高的密度轮廓，从而进行快速湮灭为恒星供能。在星胚内暗物质湮灭产生的辐射与引力相平衡，同时外部继续有大量气体吸积。如果全部气体都能被吸积的话，最终的质量可达1000太阳质量。显然，暗物质绝热收缩的程度对于暗物质星能否形成也是至关重要的。
3．暗物质星的演化
经过103-104年以后，暗物质不断湮灭，逐渐耗尽。绝热收缩过程补充的暗物质可能可以使这一过程延长至105 年。当暗物质最终耗尽时有两种可能，一种可能是，随着暗物质湮灭能源的枯竭，恒星收缩导致密度、温度增高，直至普通的核反应开始提供能源，这时暗物质星逐渐转化为普通的Pop III 主序星。另一种可能是，如果暗物质粒子与普通物质原子核的弹性散射截面较大，而暗物质星的半径又比较大，那么其气体可能与暗晕中随机运动的暗物质发生弹性散射，暗物质在这种散射中一般损失能量而被俘获，这些被俘获的暗物质粒子很快在恒星中达到热平衡并逐渐沉积到暗物质星中心，继续为暗物质星发光提供能源。这后一阶段中所能俘获的暗物质取决于暗物质粒子与重子物质粒子的散射截面以及周围介质中暗物质的多少，而这两者都还非常不确定，后者还与暗物质晕所处的环境有关。
由于暗物质湮灭能源的作用，暗物质星的寿命可能比一般根据单纯核反应作出的估计要长几倍。
4．暗物质星的探测
暗物质星的形成机制与形成时间决定了它的探测是相当困难的。一般认为，暗物质星形成于红移10以上的宇宙再电离早期，要比至今为止探测到的任何天体都要遥远。由于暗物质星的质量比较大，其寿命比较短，尽管暗物质湮灭延长了其寿命，这些暗物质星还是难以存活到今天。如果暗物质星特别明亮，我们也许可以通过James-Webb望远镜或者30米的地面望远镜直接探测到。更可能的情况是暗物质星无法达到能够被直接观测的光度。那么我们可以考虑一些间接的探测方法，例如通过小尺度上中性氢的21cm谱线观测去寻找第一代发光天体的电离氢区，从电离氢区的性质去区分暗物质星与普通的第一代恒星。但是，中性氢的21cm谱线观测本身就是一个仍未解决的难题，而且暗物质星的辐射性质及其电离氢区是如何区别于普通的第一代恒星的，还强烈依赖于我们并不清楚的暗物质粒子的性质。
不过，也有可能会形成小质量的暗物质星，这样的星将可以长期存活，如果这样的暗物质星存留在银河系中，我们可以根据其不寻常的亮度－温度关系找到它。此外，如果暗物质与普通物质的弹性散射截面比较大，普通恒星在靠近暗晕中心的高密度区时，也有可能会俘获较多的暗物质而转化为暗物质星。这也为暗物质星的寻找提供了一种途径。
总之，暗物质星还是一个新兴的研究课题，无论是暗物质粒子的性质，暗物质星的性质，还是暗物质星对天体物理过程以及宇宙演化的影响，都有很多问题和不确定性。反之，如果我们找到了暗物质星，那将对暗物质的研究提供一条重要途径，对恒星演化及宇宙再电离过程提出严格限制。它是联系粒子物理、天体物理与宇宙学的一条重要纽带。
参 考 文 献
[1] Spolyar D, Freese K, Gondolo P. Dark Matter and the First Stars: A New Phase of Stellar Evolution[J]. Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 051101(1-4).
[2] Freese K, Bodenheimer P, Spolyar D, Gondolo P. Stellar Structure of Dark Stars: A First Phase of Stellar Evolution Resulting from Dark Matter Annihilation[J]. ApJ, 2008, 685: L101-L104.
[3] Freese K, Bodenheimer P, Gondolo P, Spolyar D. Dark Stars: the First Stars in the Universe may be powered by Dark Matter Heating[J]. AIP Conf. Proc., 2009, 1166: 33-38.
[4] Iocco F, Bressan A, Ripamonti E, Schneider R, Ferrara A, Marigo P. Effects of dark matter annihilation on the first stars[J]. IAUS, 2008, 4(255): 61-65.
[5] Schleicher D R G, Banerjee R, Klessen R S. Dark stars: Implications and constraints from cosmic reionization and extragalactic background radiation[J]. Phys. Rev. D, 2009, 79: 043510(1-15).
[6] Yoon S-C, Iocco F, Akiyama S. Evolution of the First Stars with Dark Matter Burning[J]. ApJ, 2008, 688: L1-L4.
[7] Taoso M, Bertone G, Meynet G, Ekstrom S. Dark matter annihilations in Population III stars[J]. Phys. Rev. D, 2008,78: 123510(1-5).
[8] Scott P, Edsjo J, Fairbairn M. The DarkStars code: a publicly available dark stellar evolution package[J]. 2009, arxiv:0904.2395.
https://blog.sciencenet.cn/blog-3061-276245.html
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（Dark Matter Stars）
撰稿人：徐怡冬、陈学雷
北京大学天文系、中国科学院国家天文台
1．暗物质与暗物质星
多年来的各种天文观测都表明了宇宙中非重子暗物质的存在，其总质量达普通重子物质的5倍。在诸多暗物质粒子模型中，弱相互作用大质量粒子（WIMPs）符合天文学观测，其早期湮灭过程可以自然地给出今天宇宙中的暗物质含量，因此被认为是暗物质的最佳候选者。典型的WIMP粒子具有非零的核散射截面与自湮灭截面，核散射截面使得暗物质粒子能够有一定的几率与原子核发生弹性碰撞，从而与重子物质产生耦合；而自湮灭截面使得暗物质粒子在宇宙演化后期的高密度区仍进行着快速湮灭过程。
一般认为宇宙的第一代恒星大约形成于红移50至10、质量为106太阳质量左右的暗物质晕中，在这样的暗晕中，普通物质气体可以通过氢分子的谱线辐射而冷却，最终在引力作用下塌缩，其中心的密度和温度升高，直至发生核反应，提供平衡引力所需的能流（参见本书中岳斌、陈学雷关于第一代恒星的文章）。但是，由于宇宙在如此高红移时的密度要远远高于我们今天宇宙的物质密度，我们期待暗物质晕中心会有大量的暗物质粒子且可发生湮灭。暗物质的湮灭对宇宙中第一代恒星的形成会有怎样的影响呢？这个问题直至近来才引起人们的注意。Spolyar,Freese,Gongdolo提出［1］，暗物质晕中气体塌缩的中心可能正是暗晕的中心，暗物质湮灭产生的能量可能足以制止气体塌缩成普通的恒星，而是在较低的密度和较大的尺度就形成达到流体力学平衡的天体，由暗物质粒子的湮灭而不是核反应供能，严格地说，这种天体应该称为暗物质供能星（dark matter powered star),但目前往往把这种天体称为暗物质星（dark matter star）或简称暗星 （dark star）， 尽管它并不主要由暗物质构成（暗物质仅占全星质量的不到千分之一），而且也并不暗—实际上由于体积大，它比一般恒星要亮。
这样一种特殊的供能方式导致了一种全新的恒星演化模式。Freese等人估计[2]，这样暗物质星具有密度低（气体密度仅1013cm-3)、体积大（1－10AU）、质量大（500－1000倍的太阳质量）、光度高（106－107倍太阳光度），以及相比于普通的第一代恒星（星族III恒星）表面温度低（小于10000K）、寿命长（几百万–几十亿年）的特点。不过，这些暗物质星的具体性质，还取决于暗物质粒子的性质和形成的途径，具体的参数可能与上面给出的不同。
一旦我们能够直接或间接地探测到暗物质星，我们将有一个绝佳的研究WIMP粒子性质的途径。而且，暗物质星可能是解释高红移发现的超大质量黑洞的一种途径。另外，暗物质星形成于宇宙的再电离早期，它的形成数量，辐射性质，以及存在寿命都对再电离有着重要影响。因此，暗物质星的研究具有深远的科学意义。
图1.暗物质星示意图
2．暗物质星的形成
暗物质星的研究至今还处于探索性阶段。首先，暗物质星是否能够形成仍然是一个未知的问题。一般来说，暗物质晕的中心引力势能最低，容易成为普通物质的吸积中心。但是，气体的塌缩和吸积过程可能是非球对称的、复杂的、具有一定的随机性，在此过程中如果气体密度分布的中心偏离暗物质晕的中心， 则暗物质星未必能够形成。
如果这一不利因素没有发生，气体将在暗物质晕的中心汇集形成一个小质量的星胚。 暗物质粒子的质量，湮灭速率，恒星中暗物质的密度以及暗物质湮灭的产物决定了暗物质湮灭的产能率。由于现在对于暗物质的组成粒子还没有定论，人们只能假设几种可能的暗物质粒子候选者的质量进行研究；湮灭速率在最简单的情况下由暗物质的热退耦密度确定为<sigma v>=3 • 10-26 cm3 s-1 。暗晕中暗物质本身的密度不足以提供足够的湮灭产能率。但是，气体的收缩造成的引力的变化可能带动暗物质随之收缩（绝热收缩）而增加恒星中暗物质的密度，形成比普通暗物质晕聚集度更高的密度轮廓，从而进行快速湮灭为恒星供能。在星胚内暗物质湮灭产生的辐射与引力相平衡，同时外部继续有大量气体吸积。如果全部气体都能被吸积的话，最终的质量可达1000太阳质量。显然，暗物质绝热收缩的程度对于暗物质星能否形成也是至关重要的。
3．暗物质星的演化
经过103-104年以后，暗物质不断湮灭，逐渐耗尽。绝热收缩过程补充的暗物质可能可以使这一过程延长至105 年。当暗物质最终耗尽时有两种可能，一种可能是，随着暗物质湮灭能源的枯竭，恒星收缩导致密度、温度增高，直至普通的核反应开始提供能源，这时暗物质星逐渐转化为普通的Pop III 主序星。另一种可能是，如果暗物质粒子与普通物质原子核的弹性散射截面较大，而暗物质星的半径又比较大，那么其气体可能与暗晕中随机运动的暗物质发生弹性散射，暗物质在这种散射中一般损失能量而被俘获，这些被俘获的暗物质粒子很快在恒星中达到热平衡并逐渐沉积到暗物质星中心，继续为暗物质星发光提供能源。这后一阶段中所能俘获的暗物质取决于暗物质粒子与重子物质粒子的散射截面以及周围介质中暗物质的多少，而这两者都还非常不确定，后者还与暗物质晕所处的环境有关。
由于暗物质湮灭能源的作用，暗物质星的寿命可能比一般根据单纯核反应作出的估计要长几倍。
4．暗物质星的探测
暗物质星的形成机制与形成时间决定了它的探测是相当困难的。一般认为，暗物质星形成于红移10以上的宇宙再电离早期，要比至今为止探测到的任何天体都要遥远。由于暗物质星的质量比较大，其寿命比较短，尽管暗物质湮灭延长了其寿命，这些暗物质星还是难以存活到今天。如果暗物质星特别明亮，我们也许可以通过James-Webb望远镜或者30米的地面望远镜直接探测到。更可能的情况是暗物质星无法达到能够被直接观测的光度。那么我们可以考虑一些间接的探测方法，例如通过小尺度上中性氢的21cm谱线观测去寻找第一代发光天体的电离氢区，从电离氢区的性质去区分暗物质星与普通的第一代恒星。但是，中性氢的21cm谱线观测本身就是一个仍未解决的难题，而且暗物质星的辐射性质及其电离氢区是如何区别于普通的第一代恒星的，还强烈依赖于我们并不清楚的暗物质粒子的性质。
不过，也有可能会形成小质量的暗物质星，这样的星将可以长期存活，如果这样的暗物质星存留在银河系中，我们可以根据其不寻常的亮度－温度关系找到它。此外，如果暗物质与普通物质的弹性散射截面比较大，普通恒星在靠近暗晕中心的高密度区时，也有可能会俘获较多的暗物质而转化为暗物质星。这也为暗物质星的寻找提供了一种途径。
总之，暗物质星还是一个新兴的研究课题，无论是暗物质粒子的性质，暗物质星的性质，还是暗物质星对天体物理过程以及宇宙演化的影响，都有很多问题和不确定性。反之，如果我们找到了暗物质星，那将对暗物质的研究提供一条重要途径，对恒星演化及宇宙再电离过程提出严格限制。它是联系粒子物理、天体物理与宇宙学的一条重要纽带。
参 考 文 献
[1] Spolyar D, Freese K, Gondolo P. Dark Matter and the First Stars: A New Phase of Stellar Evolution[J]. Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 051101(1-4).
[2] Freese K, Bodenheimer P, Spolyar D, Gondolo P. Stellar Structure of Dark Stars: A First Phase of Stellar Evolution Resulting from Dark Matter Annihilation[J]. ApJ, 2008, 685: L101-L104.
[3] Freese K, Bodenheimer P, Gondolo P, Spolyar D. Dark Stars: the First Stars in the Universe may be powered by Dark Matter Heating[J]. AIP Conf. Proc., 2009, 1166: 33-38.
[4] Iocco F, Bressan A, Ripamonti E, Schneider R, Ferrara A, Marigo P. Effects of dark matter annihilation on the first stars[J]. IAUS, 2008, 4(255): 61-65.
[5] Schleicher D R G, Banerjee R, Klessen R S. Dark stars: Implications and constraints from cosmic reionization and extragalactic background radiation[J]. Phys. Rev. D, 2009, 79: 043510(1-15).
[6] Yoon S-C, Iocco F, Akiyama S. Evolution of the First Stars with Dark Matter Burning[J]. ApJ, 2008, 688: L1-L4.
[7] Taoso M, Bertone G, Meynet G, Ekstrom S. Dark matter annihilations in Population III stars[J]. Phys. Rev. D, 2008,78: 123510(1-5).
[8] Scott P, Edsjo J, Fairbairn M. The DarkStars code: a publicly available dark stellar evolution package[J]. 2009, arxiv:0904.2395.
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