¿Existen las estrellas oscuras?

El filósofo de la ciencia Karl Popper estableció un criterio simple para probar la validez de una teoría científica: que sea posible comprobarla observacionalmente. Aunque en algunos aspectos de la ciencia moderna esta premisa puede considerarse demasiado estricta, en otros es lo único que tenemos y la razón última por la que construimos instrumentación científica. En astrofísica, poder observar la naturaleza de la realidad requiere montar grandes instalaciones en la Tierra o lanzar telescopios espaciales.

Si nos dejamos por un momento llevar por la emoción, uno de los objetivos más hermosos para los que hemos mandado tan lejos un telescopio tan grande como el James Webb (JWST) es poder ver la formación de las primeras estrellas en el universo. Y para quien no lo tenga claro todavía, las estrellas no siempre han estado ahí, tuvieron que hacerse, como los garbanzos.

A las primeras estrellas las llamamos de población III desde que nos dimos cuenta, hace tiempo ya, del hecho que tuvieron que formarse pronto, que pudieron ser muy masivas y que tenían que estar hechas del gas de composición prístino del universo primitivo. Lo que esto significa es que no podían tener nada de lo que hay en la tabla periódica más allá de lo fundamental: hidrógeno y helio que son los elementos que no se forman en el interior de las estrellas. Podríamos haberlas llamado como lo que realmente fueron: las primeras estrellas que trajeron luz al cosmos, pero aparte de quedarnos largo, era bonito, así que se quedaron con estrellas de población III.

Las primeras estrellas se formaron como todas las demás, en nubes inmensas de gas por efecto de la gravedad y pudieron ser tan grandes como cientos, incluso miles de veces más masivas que el Sol. Pero para poder verlas y así probar nuestras teorías científicas tenemos que mirar atrás en el tiempo ¿Cuál es el problema entonces? Si eran grandes y brillantes, ¿Por qué no las hemos encontrado todavía?

Uno de los motivos principales es que al ser tan grandes debieron vivir poco tiempo extinguiendo su combustible de fusión nuclear muy rápido y explotando como supernovas en unos pocos millones de años. Y la segunda y principal razón es que no teníamos la instrumentación que nos permitía verlas en el universo joven porque para encontrarlas, entre otras cosas, se construyó el “James Webb”. De hecho a principios de este año dos equipos reportaron, no la detección definitiva, sino evidencia de la posible existencia de estas primeras estrellas en el halo de una galaxia masiva remota y en una pequeña galaxia que pudiera estar compuesta por estrellas que nacieron pronto en el cosmos, aunque esto todavía no está del todo claro porque pueden ser también otras cosas.

Pero aunque las primeras estrellas sean difíciles de encontrar, su existencia a grandes rasgos no se cuestiona. Las que sí son más controvertidas son las estrellas oscuras, candidatas también a ser las primeras pero con ciertas diferencias. Veámoslo.

Todas las estrellas obtienen su energía de la fusión nuclear. En su interior hay temperaturas tan altas y la materia está a presiones tan grandes que los átomos pueden fundirse, liberando la energía necesaria para que no colapsen sobre sí mismas por efecto de la gravedad, o liberando demasiada energía y rompiéndose, lo que les pudo ocurrir a las primeras.

En las estrellas oscuras la idea es la misma, pero añadiendo apenas un ingrediente adicional y eso es lo que las hace muy diferentes. La clave es que, hipotéticamente, se pudieron haber formado al principio de todo cuando el universo era muy denso y contenía una cantidad pequeña pero suficiente de materia oscura en la forma de WIMPs (siglas en inglés de partículas masivas de interacción débil) uno de los candidatos más prometedores a materia oscura, aunque existen axiones y candidatos más exóticos como neutrones estériles y partículas supersimétricas.

Una de las propiedades de esas partículas hipotéticas llamadas WIMPs es que se pueden aniquilar entre ellas, parecen humanos, y en el proceso producen pura energía. Ese es el truco para mantener a raya la gravedad en estas estrellas, tendrían la cantidad suficiente de estas partículas para que la presión externa la proporcione su aniquilación sin necesitar la fusión nuclear. Aunque tan solo un 0.1 por ciento de la masa total de la estrella estaría en forma de WIMPS, ya sería suficiente para mantener la estrella oscura brillando durante millones de años.

Las estrellas oscuras para existir necesitan que las WIMPS se aniquilen entre ellas, y eso solo es posible en el universo primitivo cuando tenían que compartir espacios pequeños porque el espacio-tiempo en sí todavía se estaba haciendo.

Estas estrellas son diferentes, no serían compactas sino versiones gigantes poco densas, frías (10.000 K) y brillantes de las estrellas “normales”. Estarían tan hinchadas que podrían tener un tamaño que llegaría dos veces más allá de la órbita de Júpiter, o sea 10 veces la órbita de la Tierra en el sistema solar. Y además podrían tener 10 millones de veces la masa del Sol. Serían relativamente frías y extremadamente brillantes, una combinación que es difícil de explicar con otro tipo de objetos.

Recientemente, se han identificado por el JWST tres galaxias candidatas a tener un gran desplazamiento al rojo y que han sido interpretadas como posibles estrellas oscuras supermasivas. Tendremos que esperar a tener más datos tanto de lo más grande como de lo más pequeño. En este momento, el candidato más probable para una WIMP de materia oscura es una partícula llamada neutralino. El neutralino es una de las partículas cuya existencia predice la teoría de la supersimetría y que intenta unir las cuatro fuerzas naturales bajo un único paradigma.

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico, sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de un átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología, y Eva Villaver, profesora de investigación en el Instituto de Astrofísica de Canarias.

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