Las primeras estrellas en el universo pueden haber sido muy diferentes de las estrellas que vemos hoy, y pueden tener pistas para comprender algunas de las misteriosas características del universo

Se teorizó sobre estas estrellas oscuras por primera vez en 2007. Podrían crecer hasta ser mucho más grandes que las estrellas actuales, y podrían ser alimentadas por partículas de materia oscura que se aniquilan dentro de ella, en lugar de por fusión nuclear. En el universo primitivo, las estrellas oscuras podrían haber emitido luz visible como el Sol, pero en la actualidad su luz estaría desplazada hacia el rango infrarrojo al alcanzarnos, por lo que serían invisibles a nuestros ojos.

En los dos últimos años, los investigadores han estudiado más las propiedades de las estrellas oscuras, además de cómo podrían ayudar estas inusuales estrellas a comprender mejor la materia oscura, los agujeros negros, y otras características astronómicas. En un nuevo estudio, el grupo de científicos que teorizó originalmente a las estrellas oscuras ha presentado una revisión de su investigación sobre este tema, prediciendo 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 una reciente edición de New Journal of Physics.

Como explican los científicos, las estrellas oscuras representarían una nueva fase de la evolución estelar, la primera fase, que tuvo lugar a 200 millones de años luego del Big Bang. En ese momento, la densidad de materia oscura en el universo primitivo era mayor que la de hoy, y se predice que las primeras estrellas se formaron en el centro de halos de materia oscura (precursores de las galaxias), a diferencia de las estrellas actuales, que están dispersas por los bordes de una galaxia. De acuerdo con esta teoría, estas jóvenes estrellas crecieron mucho acreciendo masa de sus alrededores, absorbiendo materia oscura junto con el gas a su alrededor.

Dentro de estas estrellas, se podrían acumular las WIMPs (partículas masivas de interacción débil, candidatas para ser la materia oscura,. Como las WIMPs pueden ser sus propias antipartículas, se podrían aniquilar para producir una fuente de calor. Si la densidad de materia oscura era bastante alta, este calor dominaría sobre otros mecanismos de calentamiento (o enfriamiento), como la fusión nuclear. Comparado con la fusión, la aniquilación de WIMPs es una fuente de energía muy eficiente, por lo que sólo se requiere una pequeña cantidad de materia oscura como combustible para la estrella.

“Las estrellas oscuras son una consecuencia natural de las WIMPs como partículas de materia oscura, ¡aunque nos llevó un tiempo juntar los ingredientes necesarios para darnos cuenta de esto!”, le dice Freese a PhysOrg.com. “Cuando propusimos estos objetos en 2007, no nos dimos cuenta de que realmente son estrellas en el sentido de que son objetos hidrostáticamente estables que brillan y producen luz visible. Ahora que hemos logrado encontrar la estructura estelar de estos objetos, comprendemos sus propiedades: son enormes objetos inflados (como soles extiendiéndose más allá del radio de la Tierra) y la luz que producen se parece mucho a la del Sol. ¡Pero crecen hasta convertirse en miles o hasta millones de veces más masivas! Estos son nuestros nuevos resultados desde que empezamos a investigar en este área por primera vez”.

Como explican los científicos, las estrellas modernas eventualmente agotan su hidrógeno y pasan a otro tipo de estrellas en el diagrama de la secuencia principal. Por otra parte, las estrellas oscuras pueden seguir creciendo en forma indefinida, siempre que sigan acreciendo materia oscura de sus alrededores. Si no se las disturba, potencialmente estas estrellas podrían crecer hasta ser decenas de miles de veces mayores que el Sol. Sin embargo, es probable que la mayor parte de estrellas oscuras eventualemnte se apartarían de su ubicación en el centro de los halos de materia oscura. Su combustible de materia oscura se agotaría, por lo que las estrellas empezarían a colapsar y al fin estarían alimentadas por la fusión de los átomos normales de hidrógeno de las estrellas, y finalmente colapsarían para formar agujeros negros. Los científicos calcularon que las estrellas oscuras tienen un tiempo de vida de por lo menos un millón de años, y tal vez miles de millones de años; por lo que aún podrían estar por aquí.

Los científicos predicen que sería posible detectar estrellas oscuras, ya sea detectando su luz con los telescopios que llegarán, o usando telescopios de neutrinos para medir los neutrinos que proceden de las estrellas oscuras. En comparación con las estrellas en la secuencia principal, las estrellas oscuras que agotan su combustible de materia oscura y comienzan a utilizar fusión serían mucho más grandes, frías e hinchadas. Y aunque las estrellas oscuras al final se conviertan en agujeros negros, las primeras estrellas en la visión tradicional (sin materia oscura) se convierten en supernovas, lo que les da a los investigadores un punto de comparación.

“Estas supernovas pueblan el universo con una cantidad de elementos en proporciones muy precisas (la proporción de elementos pares a impares es muy precisa)”, explica Freese. “Sin embargo, predecimos que esto no es así en las estrellas oscuras. Por lo tanto, esta distinción nos da una prueba medible de los dos escenarios diferentes. Esta cantidad de elementos se podría medirs en los próximos cinco años, y entonces lo sabremos”.

Midiendo las propiedades de las estrellas oscuras con futuros instrumentos, los científicos podrían descubrir propiedades detalladas de la materia oscura. Dado que las diferentes partículas de materia oscura producen distintos productos de aniquilación, las mediciones podrían revelar información sobre las propiedades de la materia oscura, como su masa, sus mecanismos de aniquilación, etc. Freese planea también investigar si las estrellas oscuras empezaron a volverse lo bastante grandes como para producir los gigantescos agujeros negros que son inexplicables en la actualidad.

“Hemos formado estrellas oscuras de hasta 1.000 veces la masa del Sol”, comenta. “Pero si siguen acumulando materia oscura, capturándola de su alrededor, pueden terminar siendo mucho más grandes: es posible que hasta un millón de veces más masivas que el Sol. Este es mi objetivo inmediato en lo que respecta a emprendimientos de investigación. Estos objetos supermasivos fueron propuestos por primera vez en la década de los 60 por Fowler y Hoyle, pero nadie sabía cómo se creaban. Si esto es correcto, ciertamente ayudaría a explicar los enormes agujeros negros que vemos hoy en el universo y que nadie sabe cómo se explican: cuando las estrellas supermasivas mueren, se conviertene en agujeros negros. Hay 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 ellas”.

Para más informaci´pn, Katherine Freese, Peter Bodenheimer, Paolo Gondolo y Douglas Spolyar. Dark stars: a new study of the first stars in the Universe. New Journal of Physics 11 (2009) 105014.

Fuente: PhysOrg. Aportado por Eduardo J. Carletti