利用 JWST 观测暗星

我们研究了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）探测超大质量暗星（SMDS）的能力。如果第一代恒星由三轴暗物质晕中的暗物质加热驱动，它们可能生长得非常大且非常明亮，在 JWST 甚至哈勃太空望远镜（HST）的深场成像中可见。我们利用 HST 巡天数据，对 JWST 未来成像巡天中可能探测到的 SMDS 数量设定了界限。我们表明，质量范围在 $10^6-10^7 M_\odot$ 的 SMDS 足够明亮，可在 JWST 的 NIRCam 所有波长波段中被探测到。如果 SMDS 存在于红移 $z \sim 10, 12$ 和 $14$，它们将分别表现为 J 波段、H 波段或 K 波段的缺失源。在总巡天面积为 150 平方角分（假设 JWST 进行多年深场并行巡天）的情况下，我们发现通常发现的 $10^6 M_\odot$ SMDS（表现为 H 或 K 波段缺失源）数量约为 $10^5\fsmds$，其中早期暗物质晕 hosting 暗星的比例可能很小，即 $\fsmds<<1$。如果 SMDS 存活至 $z=10$（HST 限制适用处），则 JWST 可观测到的表现为 H 或 K 波段缺失源的 SMDS 数量约为 1-30 个。虽然单个 SMDS 足够明亮可被 JWST 探测到，但标准 III 族恒星（PopIII stars）则不能，它们仅在总恒星质量约为 $10^6-10^8 M_\odot$ 的第一代星系中才能被探测到。通过光谱学区分 $z>10$ 处的第一代星系与 SMDS 是可行的：SMDS（温度过低无法产生显著的星云发射）将仅具有吸收线，而星系很可能同时产生发射线。特别值得关注的是 1640 HeII 发射线以及 H{\alpha}线，它们将是早期星系而非 SMDS 的特征。探测 SMDS 不仅将为弱相互作用大质量粒子（WIMPs）提供替代证据，还可能为驱动 $z\sim6$ 处类星体（QSOs）的超大质量黑洞的形成提供种子。