Las estrellas brillan intensamente desde la oscuridad del espacio gracias a la fusión, los átomos se fusionan y liberan energía. Pero, ¿y si hay otra forma de alimentar una estrella?

Un equipo de tres astrofísicos, Katherine Freese de la Universidad de Texas en Austin, en colaboración con Cosmin Ilie y Jillian Paulin ’23 de la Universidad de Colgate, analizó imágenes del telescopio espacial James Webb (JWST) y encontró tres objetos brillantes que podrían Serían « estrellas oscuras », objetos teóricos mucho más grandes y brillantes que nuestro sol, alimentados por partículas de materia oscura aniquiladoras. Si se confirma, las estrellas oscuras podrían revelar la naturaleza de la materia oscura, uno de los problemas sin resolver más profundos de toda la física.

« Descubrir un nuevo tipo de estrella es bastante interesante en sí mismo, pero descubrir que es la materia oscura la que está impulsando esto, sería enorme », dijo Freese, director del Instituto Weinberg de Física Teórica y la Cátedra Jeff y Gail Kodosky Endowed en Física en UT Austin.

Aunque la materia oscura constituye alrededor del 25% del universo, su naturaleza ha eludido a los científicos. Los científicos creen que consiste en un nuevo tipo de partícula elemental, y la búsqueda para detectar tales partículas ha comenzado. Entre los principales candidatos se encuentran las Partículas Masivas de Interacción Débil. Cuando chocan, 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 aprender sobre la materia oscura a partir de sus propiedades observadas.

La investigación se publica en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Las observaciones de seguimiento de JWST de las propiedades espectroscópicas de los objetos, incluidas las caídas o el exceso de intensidad de la luz en ciertas 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 por JWST : parece haber demasiadas galaxias grandes demasiado temprano en el universo para ajustarse a las predicciones del modelo estándar de cosmología.

« Es más probable que haya que ajustar algo dentro del modelo estándar, porque proponer algo completamente nuevo, como hicimos nosotros, siempre es menos probable », dijo Freese. « Pero si algunos de estos objetos que parecen galaxias tempranas son en realidad estrellas oscuras, las simulaciones de 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). Usando análisis espectroscópico, el equipo de JADES confirmó que los objetos fueron observados 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 miramos los datos de James Webb, hay dos posibilidades en competencia para estos objetos », dijo Freese. « Una es que son galaxias que contienen millones de estrellas ordinarias de población III. La otra es que son estrellas oscuras. Y lo creas o no, una estrella oscura tiene suficiente luz para competir con toda una galaxia de estrellas ».

En teoría, las estrellas oscuras podrían crecer hasta tener varios millones de veces la masa de nuestro sol y hasta 10 mil millones de veces más brillantes que el sol.

« Predijimos en 2012 que las estrellas oscuras supermasivas podrían observarse con JWST », dijo Ilie, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Colgate. « Como se muestra en nuestro artículo de PNAS publicado recientemente, ya encontramos tres candidatas 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, en ese momento estudiante de posgrado en la Universidad de California, Santa Cruz. Se preguntaron : ¿Qué le hace la materia oscura a las primeras estrellas que se forman en el universo? Luego contactaron a Paolo Gondolo, astrofísico de la Universidad de Utah, quien se unió al equipo. Después de 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 los centros de las primeras protogalaxias, habría grupos muy densos de materia oscura, junto con nubes de gas hidrógeno y helio. A medida que el gas se enfriaba, colapsaría y arrastraría consigo materia oscura. A medida que aumentaba la densidad, las partículas de materia oscura se aniquilarían cada vez más, agregando más y más calor, lo que evitaría que el gas colapsara hasta un núcleo lo suficientemente denso como para soportar la fusión como en una estrella ordinaria. En cambio, continuaría acumulando más gas y materia oscura, haciéndose más grande, hinchada y mucho más brillante que las estrellas ordinarias. A diferencia de las estrellas ordinarias, la fuente de energía se distribuiría uniformemente, en lugar de concentrarse en el núcleo. Con suficiente materia oscura, las estrellas oscuras podrían crecer hasta tener varios millones de veces la masa de nuestro sol y hasta 10 mil millones de veces más brillantes que el sol.

El financiamiento para esta investigación fue proporcionado por el programa de la Oficina de Física de Alta Energía del Departamento de Energía de EE. UU. y el Vetenskapsradet (Consejo de Investigación Sueco) en el Centro Oskar Klein de Física de Cosmopartículas en la Universidad de Estocolmo.