JWST podría haber detectado las primeras estrellas de materia oscura

Por primera vez, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) puede haber vislumbrado un tipo raro de estrella cuya existencia los astrónomos ni siquiera están seguros. Estos objetos estelares, llamados “estrellas oscuras”, podrían no haber sido alimentados no por fusión nuclear sino por la autoaniquilación de la materia oscura, la materia invisible que se cree que constituye alrededor del 85 por ciento de la materia del universo. Las estrellas candidatas vistas por JWST necesitarán más evidencia para ser confirmadas, pero si son reales, el hallazgo podría cambiar nuestra historia sobre cómo se formaron las primeras estrellas.

Al contrario de lo que sugiere su nombre, las estrellas oscuras normalmente podrían haber brillado mil millones de veces más luminosamente que el sol y haber crecido hasta un millón de veces su masa. Las estrellas oscuras nunca han sido observadas definitivamente, pero las simulaciones cosmológicas sugieren que deberían haberse formado poco después del Big Bang a partir de nubes de hidrógeno puro y helio que colapsaron en los centros de protogalaxias ricas en materia oscura.

Ahora los investigadores informan en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. que al menos tres objetos lejanos observados por el JWST y previamente identificados como galaxias podrían, de hecho, ser cada uno de ellos estrellas oscuras supermasivas. “Si se encuentra un nuevo tipo de estrella, eso es enorme”, dice la coautora del estudio Katherine Freese, astrofísica de la Universidad de Texas en Austin.

Los investigadores aún no pueden probar que los objetos sean estrellas oscuras, sólo que sus características son consistentes con ser estrellas oscuras o galaxias pobladas por estrellas regulares alimentadas por fusión. Sin embargo, la tecnología de JWST es suficiente para hacer ese trabajo, dice el coautor del estudio Cosmin Ilie, astrofísico de la Universidad de Colgate. Todo lo que los investigadores necesitan es más tiempo de observación. “Esperamos encontrar una de estas estrellas oscuras con el Webb durante su vida”, dice Ilie.

Hay dos posibilidades sobre cómo se formaron las primeras estrellas del universo. La opinión generalizada es que estas primeras estrellas eran estrellas de “Población III”. Estas estrellas habrían sido impulsadas por fusión nuclear, como las estrellas actuales, pero habrían tenido muy poco o ningún metal en ellas (en astronomía, eso significa elementos más pesados ​​que el helio) porque esos elementos aún no se habían formado en el universo primitivo.

Sin embargo, existe otra posibilidad. En 2008, Freese y algunos de sus colegas propusieron que las primeras estrellas del universo podrían haber funcionado con materia oscura. La materia oscura es una forma misteriosa de materia que no interactúa con fuerzas electromagnéticas; Los científicos sólo saben que existe debido a sus efectos gravitacionales y no saben de qué está hecho.

En el universo primitivo, las estrellas oscuras podrían haberse formado a partir del colapso de las nubes de helio e hidrógeno producidas en el Big Bang. Si las partículas de materia oscura también fueran sus propias antipartículas, como postulan muchas teorías de la materia oscura, entonces dentro de estas nubes en colapso, esas partículas habrían chocado entre sí y se habrían autoaniquilado. La colisión habría iniciado una cadena de desintegración de partículas que terminó con la producción de fotones, pares electrón-positrón y neutrinos. Sólo los neutrinos habrían abandonado realmente la nube, porque apenas interactúan con la materia. Las otras partículas habrían golpeado el hidrógeno y el helio y transferido su energía a esta materia, lo que habría calentado la nube e impulsado la formación y el crecimiento continuo de la estrella.

Estas estrellas se habrían formado en el centro de “minihalos”, que eran las primeras protogalaxias que existieron 200 millones de años después del Big Bang, antes de la llegada de elementos más pesados ​​que el helio y el hidrógeno. Estos minihalos estaban formados casi en su totalidad por materia oscura, lo que creaba las condiciones propicias para alimentar las estrellas oscuras. Esta alta concentración de materia oscura es la razón por la que las estrellas oscuras sólo pudieron formarse en el universo temprano, dice Freese.

Debido a que las estrellas habrían sido relativamente frías y no habrían emitido los fotones de alta energía que emiten las estrellas alimentadas por fusión nuclear, podrían haber seguido agregando masa, provocando que se hincharan cada vez más a lo largo de sus vidas.

“Ahora tienes algo extraño”, dice Freese. “Se parece al Sol en términos de temperatura superficial, pero es mil millones de veces más brillante. Podría ser tan brillante como toda una galaxia de estrellas alimentadas por fusión”.

Al final de su vida, las grandes estrellas oscuras se habrían colapsado en enormes agujeros negros. Esta podría ser una posible explicación para algunos de los antiguos agujeros negros supermasivos observados en el universo, que parecen demasiado grandes para haberse formado tan rápidamente a partir de estrellas de Población III alimentadas por fusión, dice Ilie.

Para buscar estrellas oscuras, Freese, Ilie y la estudiante universitaria Jillian Paulin buscaron en el catálogo de objetos que el JWST ha identificado como del universo temprano, o de hace casi 14 mil millones de años. Sólo nueve de esos objetos tenían suficientes datos sobre sus emisiones electromagnéticas para ser útiles para el estudio. De esos nueve, tres coincidían bien con el aspecto que tendría una estrella oscura. Estos objetos tenían un alto corrimiento al rojo, lo que significa que emitían luz sesgada hacia el lado rojo del espectro electromagnético, lo cual es un signo de objetos viejos y distantes. También es posible que provengan de una única fuente puntual, como una estrella, en lugar de una galaxia difusa, dice Paulin, quien comenzará sus estudios de posgrado en la Universidad de Pensilvania en otoño.

Los investigadores no pueden decir mucho más sobre los objetos en este momento porque sólo tienen observaciones limitadas de ellos. La “pistola humeante” para una estrella oscura sería un contratiempo particular en el espectro electromagnético donde la luz es absorbida por un isótopo particular de helio sólo en las estrellas oscuras, no en las galaxias. Descubrir ese problema llevaría muchos meses de observación de estos objetos individuales, dice Ilie, lo cual no es realista dado la cantidad de investigadores que están utilizando el JWST para resolver una variedad de problemas astrofísicos. Sin embargo, el equipo puede decir que si los objetos son estrellas oscuras, dos de ellos tendrían aproximadamente un millón de veces la masa del Sol, y uno tendría aproximadamente 500.000 veces la masa del Sol.

El equipo de investigación está desarrollando ahora un método automatizado para buscar más candidatas a estrellas oscuras, algunas de las cuales podrían requerir menos tiempo de observación para confirmarse. “Esperaría que hubiera muchos más candidatos”, dice Paulin.

Observar una estrella oscura directamente sería algo asombroso, dice Pearl Sandick, física teórica de partículas de la Universidad de Utah que no participó en el estudio. Sin embargo, existen otras formas de buscar estrellas oscuras, como a través de sus firmas en el fondo cósmico de microondas: el tenue resplandor de la radiación que queda cuando nuestro universo era joven y caliente. Encontrar una estrella oscura no sólo proporcionaría una nueva visión de la formación temprana del universo, afirma Sandick, sino que también sería una oportunidad única para observar directamente las interacciones de la materia oscura. “Observar esto”, afirma, “realmente proporcionaría nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura como partícula”.