Las primeras estrellas ¿fueron objetos exóticos alimentados por materia oscura?

(NC&T) En el estudio se calculó cómo el nacimiento de las primeras estrellas, hace casi 13 mil millones años, pudo haber estado influenciado por la presencia de la materia oscura, todavía no observada ni identificada, que los científicos creen forma la mayor parte de la materia del universo.

"Los resultados alteran drásticamente la estructura teórica actual sobre la formación de las primeras estrellas", asevera el astrofísico Paolo Gondolo, profesor de física de la Universidad de Utah.

Es concebible incluso que algunas de esas gigantescas estrellas oscuras todavía sigan existiendo hoy, y aunque no emitan luz visible podrían ser detectadas porque deben emitir rayos gamma, neutrinos y antimateria, y estar asociadas a nubes de hidrógeno molecular frío que normalmente no albergarían partículas con tales energías.

Sin simulaciones detalladas, no es posible predecir con cierto grado de fiabilidad la evolución posterior de las estrellas oscuras. De modo que estas estrellas oscuras pudieron durar meses, o varios centenares de millones de años, o incluso seguir existiendo todavía después de miles de millones de años.
Gondolo dirigió el estudio con la colaboración de la astrofísica Katherine Freese de la Universidad de Michigan, en Ann Arbor, y de Douglas Spolyar, de la Universidad de California, en Santa Cruz.

Algunos estudios han considerado el papel de la materia oscura en la evolución del universo temprano, pero el de Gondolo y sus colaboradores es el primero que examina el posible papel de la materia oscura en la formación de las primeras estrellas.

Los científicos saben que la materia oscura existe porque las galaxias giran más deprisa de lo que puede explicarse por la materia visible dentro de ellas. También las observaciones hechas por satélites, globos sonda y telescopios han llevado a la estimación de que toda la materia visible representa sólo el 4 por ciento del universo, y que también está formado por un 23 por ciento de materia oscura y un 73 por ciento de "energía oscura", una fuerza todavía desconocida que ayuda al universo a expandirse.

Las WIMPs, partículas masivas de interacción débil, están entre los principales candidatos para la materia oscura. Los "neutralinos" son un tipo de WIMP cuya existencia predicen las teorías más aceptadas que buscan explicar el origen de la masa en el universo.

La mayoría de los científicos cree que el universo comenzó a existir hace unos 13 mil millones de años, en una súbita expansión del tiempo y el espacio conocida como el "Big Bang".

Después de esa explosión, pequeñas fluctuaciones en la temperatura provocaron que parte de la materia más temprana empezara a agruparse en un proceso acelerado por la gravedad, y eso produjo las primeras estrellas y galaxias. La materia era fundamentalmente oscura pero también incluía materia normal en la forma de los gases hidrógeno y helio.

La teoría convencional de cómo nacieron las primeras estrellas sostiene que los átomos como el hidrógeno y el helio se agruparon y se arremolinaron en las nubes protoestelares, que empezaron a enfriarse, haciendo que las nubes se contrajeran y se hicieran más densas. El enfriamiento y la contracción de la estrella embrionaria continúan hasta que comienza la fusión del hidrógeno en helio, encendiendo así el reactor de fusión que opera en nuestro Sol y en otras estrellas.

Para el nuevo estudio, los astrofísicos calcularon cómo la materia oscura habría afectado a la temperatura y a la densidad del gas que se condensó para formar las primeras estrellas.

Los resultados sugieren que los neutralinos de la materia oscura interactuaron "aniquilándose" entre sí, produciendo partículas subatómicas denominadas quarks, y sus homólogos de antimateria, los antiquarks. Esto generó calor. Cuando una nube protoestelar de hidrógeno y helio tendía a enfriarse y contraerse, la materia oscura la mantenía caliente y expandida, impidiendo que la fusión encendiera la estrella.

El calor puede neutralizar el enfriamiento, y de ese modo el objeto que iría camino de convertirse en una estrella normal deja de contraerse durante algún tiempo y forma una estrella oscura, entre unos 80 y 100 de millones de años después del Big Bang. Éste es el resultado principal del estudio.

Las estrellas oscuras contendrían sobre todo materia normal, siendo la mayor parte moléculas de hidrógeno y helio, pero serían inmensamente más grandes y mucho menos densas que el Sol y otras estrellas. Esas estrellas oscuras debieron haber irradiado rayos infrarrojos, que son básicamente calor.

En especial, llama la atención su colosal tamaño, con diámetros que van como promedio desde 4 veces la distancia entre el Sol y la Tierra hasta 2.000 veces esa distancia, lo bastante grandes para tragarse 15.000 sistemas solares como el nuestro.

Los quarks y los antiquarks producidos dentro de la estrella oscura a su vez generarían partículas descendientes, incluyendo fotones de rayos gamma, neutrinos y partículas de antimateria tales como los positrones y los antiprotones. A simple vista, no se puede ver una estrella oscura. Pero su radiación nos freiría.

Las estrellas oscuras tienen algunas implicaciones importantes para la astrofísica. Representan una nueva fase en la evolución de estrellas. Por otra parte, su posible existencia podría ayudar a localizar e identificar la materia oscura. Los rayos gamma, los neutrinos y la antimateria tienen "firmas" muy típicas de energía si provienen de la materia oscura.

Asimismo, las estrellas oscuras podrían mejorar la comprensión de cómo se formaron los elementos pesados. Supuestamente, las primeras estrellas fueron la cuna de tales elementos, produciéndolos por medio de la fusión nuclear. Pero si las estrellas oscuras existieron y no evolucionaron después en estrellas normales, entonces no fabricaron el carbono. Quizá el carbono vino de otras estrellas, tal vez de las convencionales que se formaron donde no había materia oscura cercana.

Las estrellas oscuras también pueden explicar por qué los agujeros negros se formaron mucho más rápido de lo esperado. Quizás estos cadáveres de estrellas que se vuelven densos hasta el punto de que su descomunal campo gravitatorio impide escapar incluso a la luz, ya comenzaron a existir tan sólo unos centenares de millones de años después del Big Bang, aunque las teorías actuales sostienen que tardaron mucho más tiempo en formarse. Las estrellas oscuras pudieron ayudar a acelerar el proceso. Ellas pudieron colapsarse muy temprano en agujeros negros porque se formaron en una época muy antigua del universo y es posible, según una hipótesis que se baraja, que fuesen muy efímeras.

Otra posibilidad es que las estrellas oscuras durasen un largo tiempo pero que acabaran convirtiéndose en estrellas convencionales.

Gondolo y sus colegas creen que el gas que se enfría y la materia oscura que lo calienta dentro de una estrella oscura pueden permanecer en equilibrio permitiendo que éstas sobrevivan, aunque eso depende de que sean correctas ciertas suposiciones sobre la masa de los neutralinos.