El telescopio James Webb vislumbra las las primeras «estrellas oscuras»

Las estrellas brillan en la oscuridad del espacio gracias a la fusión: los átomos se unen y liberan energía. Pero, ¿y si hubiera otra forma de alimentar una estrella?

Un equipo de tres astrofísicos ha analizado imágenes del telescopio espacial James Webb (JWST) y ha encontrado tres objetos brillantes que podrían ser «estrellas oscuras», objetos teóricos mucho más grandes y brillantes que nuestro Sol, alimentados por partículas de materia oscura que se aniquilan. De confirmarse, las estrellas oscuras podrían revelar la naturaleza de la materia oscura, uno de los problemas más profundos sin resolver de toda la física.

Los tres astrofísicos son Katherine Freese, de la Universidad de Texas en Austin, en colaboración con Cosmin Ilie y Jillian Paulin, de la Universidad Colgate. «Descubrir un nuevo tipo de estrella ya es bastante interesante de por sí, pero descubrir que es materia oscura lo que la impulsa sería enorme», afirma Freese, director del Instituto Weinberg de Física Teórica y de la Cátedra de Física Jeff y Gail Kodosky de la Universidad de Texas en Austin.

La misteriosa materia oscura

Aunque la materia oscura constituye alrededor del 25% del universo, su naturaleza ha sido un misterio para los científicos. Los científicos creen que consiste en un nuevo tipo de partícula elemental, y la caza para detectar tales partículas está en marcha. Entre las principales candidatas se encuentran las partículas masivas de interacción débil. Cuando colisionan, estas partículas se aniquilan a sí mismas, depositando calor en las nubes de hidrógeno que colapsan y convirtiéndolas en estrellas oscuras que brillan intensamente. La identificación de estrellas oscuras supermasivas abriría la posibilidad de conocer la materia oscura a partir de sus propiedades observadas.

Las observaciones de seguimiento del JWST de las propiedades espectroscópicas de los objetos, incluidas las caídas o excesos de intensidad luminosa en determinadas bandas de frecuencia, podrían ayudar a confirmar si estos objetos candidatos son realmente estrellas oscuras.

Confirmar la existencia de estrellas oscuras también podría ayudar a resolver un problema creado precisamente por las observaciones del JWST: parece haber demasiadas galaxias grandes demasiado pronto en el universo para encajar en las predicciones del modelo estándar de la cosmología.

«Es más probable que haya que afinar algo dentro del modelo estándar, porque proponer algo totalmente nuevo, como hicimos nosotros, siempre es menos probable», afirma Freese. «Pero si algunos de estos objetos que parecen galaxias primitivas son en realidad estrellas oscuras, las simulaciones de la formación de galaxias concuerdan mejor con las observaciones».

Las tres estrellas oscuras candidatas (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 y JADES-GS-z11-0) fueron identificadas originalmente como galaxias en diciembre de 2022 por el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).

Utilizando análisis espectroscópicos, el equipo de JADES confirmó que los objetos se observaron en tiempos que van desde alrededor de 320 millones a 400 millones de años después del Big Bang, lo que los convierte en algunos de los primeros objetos jamás vistos.

«Cuando observamos los datos del James Webb, hay dos posibilidades para estos objetos», afirma Freese. «Una es que se trate de galaxias con millones de estrellas ordinarias. La otra es que se trate de estrellas oscuras. Y lo creas o no, una estrella oscura tiene luz suficiente para competir con toda una galaxia de estrellas».

En teoría, las estrellas oscuras podrían llegar a tener varios millones de veces la masa de nuestro sol y hasta 10.000 millones de veces más brillo que él.

El brillo de las estrellas oscuras

«Ya predijimos en 2012 que las estrellas oscuras supermasivas podrían observarse con JWST», dijo Ilie, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad Colgate. «Como se muestra en nuestro artículo recientemente publicado en PNAS, ya encontramos tres candidatos a estrellas oscuras supermasivas al analizar los datos de JWST para los cuatro objetos JADES de alto corrimiento al rojo confirmados espectroscópicamente por Curtis-Lake et al, y confío en que pronto identificaremos muchos más.»

La idea de las estrellas oscuras se originó en una serie de conversaciones entre Freese y Doug Spolyar, por entonces estudiante de posgrado en la Universidad de California en Santa Cruz. Se preguntaban: ¿Qué hace la materia oscura a las primeras estrellas que se forman en el universo? Entonces se pusieron en contacto con Paolo Gondolo, astrofísico de la Universidad de Utah, que se unió al equipo. Tras varios años de desarrollo, publicaron su primer artículo sobre esta teoría en la revista Physical Review Letters en 2008.

Juntos, Freese, Spolyar y Gondolo desarrollaron un modelo que es más o menos así: En el centro de las protogalaxias primitivas habría aglomeraciones muy densas de materia oscura, junto con nubes de gas de hidrógeno y helio. Al enfriarse, el gas colapsaría y arrastraría consigo la materia oscura. Al aumentar la densidad, las partículas de materia oscura se aniquilarían cada vez más, añadiendo cada vez más calor, lo que impediría que el gas se colapsara hasta alcanzar un núcleo lo suficientemente denso como para soportar la fusión, como en una estrella ordinaria. En su lugar, seguiría acumulando más gas y materia oscura, haciéndose grande, hinchada y mucho más brillante que las estrellas ordinarias. A diferencia de las estrellas ordinarias, la fuente de energía estaría repartida uniformemente, en lugar de concentrada en el núcleo. Con suficiente materia oscura, las estrellas oscuras podrían llegar a tener varios millones de veces la masa de nuestro sol y hasta 10.000 millones de veces su brillo.

REFERENCIA

Supermassive Dark Star candidates seen by JWST