¿Se ha descubierto ya la primera 'estrella oscura'?

A pesar de que se trata de la evidencia más sólida hasta el momento, la comunidad científica aún no ha llegado a un consenso sobre la existencia de estos extraños objetos cósmicos. Si realmente existieran, estas hipotéticas estrellas podrían ayudar a explicar, entre otras cosas, el misterio de por qué vemos gigantescos agujeros negros en el Universo primitivo, una época en la cual, según las teorías más aceptadas, tales objetos no habrían tenido aún tiempo de formarse. El nuevo estudio de Freese puede consultarse ya en el servidor de prepublicaciones 'arXiv'.

Las estrellas 'normales', como el Sol, brillan y emiten calor gracias a un proceso llamado fusión nuclear. En su núcleo, átomos ligeros, como el hidrógeno, se fusionan para formar átomos más pesados, liberando una tremenda cantidad de energía en el proceso. Pero las estrellas oscuras son algo completamente diferente.

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José Manuel Nieves

Poco después del Big Bang, el Universo no era más que una ardiente burbuja en expansión, llena de grandes nubes de gas, principalmente hidrógeno y helio, los elementos más simples. En un escenario normal, una nube de gas lo suficientemente grande se colapsaría bajo su propia gravedad hasta volverse tan densa y caliente como para 'prender' la fusión nuclear, formando una estrella. Pero en 2007 Freese y su equipo sugirieron que si estas nubes de gas primitivas se mezclaban con una forma particular de materia oscura, algo extraordinario podría ocurrir.

La materia oscura es, hoy por hoy, uno de los mayores misterios a los que se enfrenta la ciencia. Sabemos que está ahí porque vemos sus efectos gravitacionales en galaxias y cúmulos de galaxias, objetos hechos de 'materia normal' que sí podemos ver. Pero la materia oscura es invisible, porque no emite luz ni ningún tipo de radiación que nuestros telescopios sean capaces de detectar. La hipótesis Freese se basa en la idea de que una forma específica de materia oscura podría 'autoaniquilarse'. Es decir, que si dos partículas de este tipo de materia oscura se encuentran, se destruyen mutuamente, liberando energía en el proceso.

No sería, sin embargo, el mismo tipo de energía que libera una estrella 'normal', porque en el corazón de una estrella oscura no hay fusión nuclear. La energía, por tanto, debería venir de la propia autoaniquilación de la materia oscura. Energía que calienta el gas de hidrógeno y helio circundante, y cuya fuerza se opone a la de la gravedad, impidiendo que la estrella se colapse por completo y forme un agujero negro. En esencia, la materia oscura actúa como un 'horno' interno que mantiene la estrella caliente y estable, permitiéndole crecer hasta alcanzar tamaños colosales, mucho más grandes que cualquier estrella que conozcamos hoy en día.

Según los investigadores, en efecto, serían objetos enormes y relativamente fríos en comparación con las estrellas normales, brillando con una luz más tenue y roja. Su nombre, 'estrella oscura', se debe a que su principal fuente de energía no es la luz visible producida por la fusión nuclear sino, precisamente, la materia oscura.

Durante años, las estrellas oscuras fueron poco más que una idea fascinante en el papel, pero con poca o ninguna evidencia observacional que las respaldara. Pero todo cambió en 2022 con el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb. Gracias a su capacidad sin precedentes para observar el Universo temprano, el poderoso observatorio empezó a detectar casi enseguida una cantidad inusualmente alta de objetos muy brillantes y lejanos, que existieron sólo unos pocos millones de años después del Big Bang. Al principio, los astrónomos pensaron que se trataba de galaxias recién formadas.

Y aquí es, precisamente, donde la historia de las estrellas oscuras se cruza con las observaciones reales. En 2023, Freese y su equipo se dieron cuenta de que tres de estos objetos tempranos observados por el Webb coincidían con varias propiedades predichas por sus simulaciones de estrellas oscuras. Estas propiedades incluían un perfil redondo, similar a una esfera, y una intensidad de luz que encajaba con lo que se esperaría de estas exóticas estrellas. Sin embargo, para una confirmación definitiva, hacían falta datos espectroscópicos detallados, que son como las 'huellas dactilares' de la luz emitida por la estrella, revelando su composición química y temperatura.

En su nuevo estudio, Freese y sus colegas han hecho precisamente eso. Y resulta que sus últimas observaciones espectroscópicas de estos objetos tempranos se alinean sorprendentemente bien con las predicciones teóricas de cómo deberían verse las estrellas oscuras. Además, en esta ocasión han conseguido identificar otros dos posibles candidatos a estrellas oscuras y uno de ellos, particularmente, presenta una señal especialmente intrigante: una 'huella' de un tipo específico de helio al que le falta un electrón. Si el hallazgo se confirma, sería un identificador único de las estrellas oscuras. «Si es real -asegura Freese-, entonces no sé de qué otra manera podrías explicarlo que no sea con una estrella oscura». No obstante, ella misma advierte que la evidencia de esta señal es aún limitada y necesita ser corroborada con más observaciones.

Como suele ocurrir en ciencia, no todos los astrónomos están convencidos, y prefieren optar por una interpretación alternativa, la de las 'estrellas supermasivas primordiales', una idea según la que existieron estrellas gigantes en el Universo temprano sin necesidad de incorporar materia oscura. Es decir, estrellas 'normales' que, además, se ajustan igualmente bien a los datos proporcionados por el James Webb.

Por supuesto, Freese no está de acuerdo con este extremo, y sostiene que la única forma plausible de formar estrellas tan masivas en el Universo primitivo es quemar materia oscura. «Realmente -insiste- no hay otra forma de hacerlas».

Por si fuera poco, existe una complicación adicional que añade aún más leña al debate. Observaciones independientes de los mismos objetos estudiados por Freese y sus colegas, realizadas esta vez con el Atacama Large Millimeter Array (ALMA) en Chile, han detectado la presencia de oxígeno. Lo cual es un dato crucial, porque el oxígeno no debería existir en las estrellas oscuras 'puras', ya que se supone que éstas se forman únicamente a partir de los elementos más ligeros (hidrógeno y helio) presentes en el Universo primitivo. El oxígeno, como se sabe, llegó mucho más tarde, fabricado por las primeras generaciones de estrellas.

Sin embargo, este obstáculo tampoco logra desanimar a Freese, quien afirma que el oxígeno podría indicar que estas estrellas están mezcladas con otras estrellas 'normales' formandos pareja (sistemas binarios) con algunas de ellas. Es decir, no serían objetos aislados, sino parte de sistemas estelares más complejos.

Polémicas aparte, confirmar la existencia de estrellas oscuras podría ayudar a resolver otro enigma cósmico. En los últimos dos años, el James Webb se ha topado con una abundancia sorprendente de agujeros negros extremadamente grandes en el Universo primitivo. Y, por lo que sabemos, tales agujeros negros supermasivos solo pueden existir si se formaron a partir de 'semillas' de materia ya de por sí extremadamente grandes. Pero nada en el Universo temprano debería haber sido lo suficientemente masivo como para crear estas semillas, al menos no de la manera convencional.

Y aquí es donde las estrellas oscuras ofrecen una solución elegante. Freese propone que estas estrellas masivas y primitivas, alimentadas por materia oscura, podrían haber sido las 'semillas' perfectas para la formación de los agujeros negros supermasivos que vemos hoy. «Tenemos una explicación para grandes problemas astrofísicos sin resolver».

Es pronto aún para saber quién acierta y quién se equivoca en esta delicada cuestión científica. Pero los científicos afinan sus instrumentos y también sus teorías. Y todo hace pensar que la respuesta, sea cual sea, ya no está demasiado lejos.