Estas “estrellas obscuras”, teorizadas por primera vez en 2007, pueden crecer hasta ser mucho más grandes que las estrellas actuales, y pueden también alimentarse de partículas de materia obscura que se aniquilan en su interior, en lugar de hacerlo por fusión nuclear.
En los inicios del universo, las estrellas obscuras emitieron luz visible como por ejemplo lo hace actualmente el Sol, pero ahora su luz está desplazada hacia el infrarrojo, por tanto están "ocultas" dentro de ese rango y se nos hacen invisibles a simple vista.
Durante los últimos seis años, los investigadores han estudiado más en detalle las particularidades de las estrellas obscuras, además de cómo podrían estas primogénitas estrellas ayudar a los científicos a comprender más profundamente a la materia obscura, agujeros negros, y otras características astronómicas.
En un nuevo estudio, el grupo de científicos que originalmente teorizó sobre las estrellas obscuras, ha presentado una revisión de su investigación sobre la materia y predice futuras áreas de investigación.
Katherine Freese de la Universidad de Michigan; Paolo Gondolo de la Universidad de Utah; Peter Bodenheimer de la Universidad de California en Santa Cruz; y Douglas Spolyar, actualmente en Fermilab, han publicado sus resultados en un reciente ejemplar de New Journal of Physics.
Tal y como explican los científicos, las estrellas obscuras representan una nueva fase de la evolución (programación) estelar —con la primera fase teniendo lugar apenas 200 millones de años tras el Big Bang—. En esa época, la densidad de materia obscura en el joven universo era mayor que la actual, y las primeras estrellas se predice que se hayan formado en el centro de halos de materia obscura (las cuales son precursores de las galaxias) en oposición a las estrellas actuales que están dispersas por los bordes de una galaxia.
De acuerdo con la teoría, estas jóvenes estrellas crecen más acrecentando masa de sus alrededores, acumulando materia obscura junto con el gas de su entorno.
Dentro de estas estrellas, las partículas masivas de interacción débil (WIMPs), un candidato para la materia obscura, podrían acumularse. Dado que las WIMPs pueden ser sus propias antipartículas, podrían aniquilarse para producir una fuente de calor. Si la densidad de materia obscura fuese lo bastante alta, este calor dominaría sobre otros mecanismos de calentamiento (o enfriamiento), tales como la fusión nuclear. Comparado con la fusión, la aniquilación de WIMPs es una fuente de energía muchísimo más potente y eficiente, por lo que sólo se requiere una pequeña cantidad de materia obscura para alimentar la estrella.
“Las estrellas obscuras son una consecuencia natural de las WIMPs como partículas de materia obscura… ¡aunque nos llevó un tiempo unir todos los ingredientes necesarios para darnos cuenta de esto!”, dice Freese a PhysOrg.com. “En el momento en que propusimos estos objetos en 2007, no nos dimos cuenta de que son realmente estrellas en el sentido de ser objetos hidrostáticamente estables que brillan y producen luz visible. Ahora que hemos tenido éxito al encontrar la estructura estelar de estos objetos, comprendemos sus propiedades: son enormes objetos hinchados (como soles que se extienden más allá del radio de la Tierra) y la luz que producen se parece mucho a la procedente del Sol. ¡Pero crecen hasta convertirse en miles o incluso millones de veces más masivos! Estos son nuestros nuevos resultados desde que empezamos a investigar en este área por primera vez”.
Como bien explicaron los científicos, las estrellas modernas finalmente agotan su hidrógeno y transmutan a otro tipo de estrellas en el diagrama de la secuencia principal. Por otra parte, las estrellas obscuras pueden seguir creciendo de forma indefinida, siempre que sigan tomando materia obscura de sus alrededores. Si no se les molesta, estas estrellas podrían potencialmente crecer hasta ser decenas de miles de veces más grandes que el Sol. No obstante, la mayor parte de estrellas obscuras probablemente se apartarían finalmente de sus posiciones en los centros de los halos de materia obscura. Su combustible de materia obscura se agotaría, por lo que las estrellas empezarían a colapsar y finalmente estarían alimentadas por la fusión de los átomos de hidrógeno normal de las estrellas, y por fin colapsar en agujeros negros. Los científicos calcularon que las estrellas obscuras tienen un tiempo de vida de al menos un millón de años, y tal vez miles de millones; podrían aún estar por aquí.
Los científicos predicen que debería ser posible detectar estrellas obscuras, ya sea detectando su luz con telescopios de nueva generación, o usando telescopios de neutrinos para medir los neutrinos procedentes de las estrellas obscuras. En comparación con las estrellas de secuencia principal, las estrellas obscuras que agotan su combustible de materia obscura y empiezan a usar fusión serían mucho más grandes, frías e “hinchadas”. Y aunque las estrellas obscuras finalmente se conviertan en agujeros negros, las primeras estrellas en la visión tradicional (sin materia obscura) se convierten en supernovas, dando a los investigadores un punto de comparación.
“Estas supernovas pueblan el universo con una abundancia de elementos en proporciones muy precisas (la proporción de elementos pares a impares es muy precisa)”, explica Freese. “No obstante, predecimos que esto no sucede en las estrellas obscuras. Por tanto, esta distinción proporciona una prueba medible de los dos escenarios distintos. Esta abundancia de elementos debería medirse en los próximos seis años y entonces lo sabremos”.
Midiendo las propiedades de las estrellas obscuras con futuros instrumentos, los científicos podrían descubrir propiedades detalladas de la materia obscura. Dado que distintas partículas de materia obscura producen distintos productos de aniquilación, las medidas podrían revelar información sobre las propiedades de la materia obscura, tales como su masa, mecanismos de aniquilación, etc.
Freese también planea investigar si las estrellas obscuras empezaron a hacerse lo bastante grandes para producir los gigantescos agujeros negros que actualmente son difíciles de explicar.
“Hasta el momento hemos formado estrellas obscuras de 1000 veces la masa del Sol”, comenta. “Pero si siguen acumulando materia obscura "capturándola" de sus alrededores, pueden terminar siendo mucho más grandes: posiblemente incluso un millón de veces más masivas que el Sol. Este es mi objetivo inmediato en lo que respecta a empresas de investigación. Tales objetos supermasivos se propusieron por primera vez en la década de 1960 por Fowler y Hoyle, pero nadie sabía cómo crearlos. Si esto es correcto, ciertamente ayudaría a explicar los enormes agujeros negros que vemos hoy en el universo y que nadie sabe cómo explicar: cuando las estrellas supermasivas mueren, se convierten en agujeros negros. Existen agujeros negros de miles de millones de masas solares en, básicamente, el mismo momento que se formaron las primeras galaxias, así como en los centros de las mismas”.
Más información: Katherine Freese, Peter Bodenheimer, Paolo Gondolo, and Douglas Spolyar. “Dark stars: a new study of the first stars in the Universe.”
