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3 de diciembre de 2007

¿Fueron oscuras las primeras estrellas?

Imagen: The University of Utah

Tal vez las primeras estrellas en el universo recién nacido no brillaban, en lugar de eso eran estrellas oscuras invisibles entre 400 a 200000 veces más grandes que el Sol y alimentadas por la aniquilación de misteriosa materia oscura, según concluye un estudio de la Universidad de Utah.

El estudio - que será publicado el mes próximo en Physical Review Letters - calculó cómo el nacimiento de las primeras estrellas hace casi 13000 millones de años podría haber sido influenciado por la presencia de materia oscura - la materia invisible, aun no identificada que los científicos creen que compone la mayoría de la materia en el universo.

Los descubrimientos "alteran drásticamente el marco teórico para la formación de las primeras estrellas", dijo el autor del estudio y astrofísico Paolo Gondolo, profesor asociado de física en la Universidad de Utah.

Es concebible que estrellas oscuras gigantescas puedan existir hoy, y aunque no emitan luz visible, podrían ser detectadas porque deberían expeler rayos gama, neutrinos y antimateria y estarían asociadas con nubes de hidrogeno molecular frío que normalmente no hospedaría tales partículas energéticas, agregó.

"Sin simulaciones detalladas, no podemos apuntar la evolución avanzada de las estrellas oscuras", dijo Gondono. "Podrían durar meses. Podrían durar 600 millones de años. O podrían durar miles de millones de años y todavía andar por aquí. Tenemos que buscarlas".

Él condujo el estudio junto a la astrofísica Katherine Freese de la Universidad de Michigan, Ann Harbor y el estudiante graduado Douglas Spoylar de la Universidad de California, Santa Cruz.

Gondolo dijo que quiso llamar a la nueva clase de estrellas invisibles teóricas "gigantes marrones" - similar a las débiles pero más pequeñas estrellas del tamaño de Júpiter conocidas como "enanas marrones". Pero dijo que sus coautores insistieron en llamarlas "estrellas oscuras", por la canción "Estrella oscura" del año 1967 de la banda de rock The Grateful Dead.

"Es más pegadizo", asintió Gondolo.

Gondolo dijo que algunos estudios han considerado el rol de la materia oscura en la evolución del universo temprano, pero hasta ahora, no en la formación de las primeras estrellas.

Los científicos saben de la existencia de la materia oscura porque las galaxias rotan mas rápido de lo que puede ser explicado por la materia visible en ellas. También, observaciones de satélites, globos y telescopios han llevado a la estimación de que toda la materia visible representa sólo el 4 por ciento del universo, el cual está hecho también de un 23 por ciento de materia oscura y un 73 por ciento de 'energía oscura' - una fuerza aún desconocida que ayuda a la expansión del Universo, dijo Gondolo.

WIMPS - por las siglas en inglés de partículas masivas con interacción débil - están entre los principales candidatos para ser materia oscura. Gondolo dijo que los 'neutralinos' son un tipo de WIMP que debe existir bajo teorías de física de partículas que buscan explicar el origen de la masa en el universo.

Los científicos generalmente creen que el universo nació hace 13000 millones de años en una expansión súbita o 'inflación' de tiempo y espacio conocida como el 'big bang'.

El brillo remanente de esa explosión - radiación de microondas de fondo cósmico - desarrolló pequeñas fluctuaciones en temperatura que causó que algo de la primera materia se agrupe, un proceso acelerado por la gravedad y que produjo las primeras estrellas y galaxias. La materia era principalmente materia oscura pero también incluía materia normal en la forma de hidrógeno y helio.

La teoría convencional de cómo nacieron las primeras estrellas sostiene que los átomos de hidrógeno y helio se agruparon y formaron una espiral en nubes protoestelares, comenzaron a enfriarse haciendo que la nube se contraiga y se vuelva más densa. El enfriamiento y contracción del embrión de estrella continúa hasta que comienza la fusión de hidrógeno en helio, encendiendo el motor de fusión que funciona en nuestro sol y otras estrellas.

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

Los descubrimientos sugieren que los neutralinos de la materia oscura interactuaron y se aniquilaron unos a otros, produciendo partículas subatómicas llamadas quarks y su contraparte de antimateria, antiquarks. Eso generó calor. Como una nube protoestelar de hidrógeno y helio, trató de enfriarse y comprimirse, la materia oscura la hubiera mantenido caliente y grande, previniendo que la fusión encienda la estrella.

"El calentamiento puede contrarrestar el enfriamiento, y por lo tanto la estrella deja de contraerse por un tiempo, formando una estrella oscura", alrededor de 80 a 100 millones de años luego del big bang, dijo Gondolo. "Este es nuestro resultado principal".

Las estrellas oscuras contendrían mayormente materia normal - en su mayoría en la forma de moléculas de hidrógeno y helio - pero serían bastamente más grandes y 'esponjosas' que el Sol y otras estrellas, agregó. Debieron brillar en el espectro infrarrojo, lo cual es calor.

"Son mucho más grandes que el Sol", dijo Gondolo, con diámetros yendo desde 4 Unidades Astronómicas (607 millones de km, o cuatro veces la distancia media entre el Sol y la Tierra) a 2000 Unidades Astronómicas - suficientemente grandes para tragar 15000 sistemas planetarios como el nuestro.

Los quarks y antiquarks producidos dentro de la estrella oscura debieron, luego, generar partículas descendientes incluyendo rayos gama, neutrinos y antimateria como positrones y antiprotones, dijo Gondolo.

"A ojo desnudo, no puedes ver una estrella oscura. Pero su radiación te freiría"

Gondolo dijo que las estrellas oscuras tienen algunas implicaciones importantes para la astrofísica:

- Representan una nueva fase en la evolución de estrellas.

- Su posible existencia podría ayudar a la búsqueda e identificación de la materia oscura. Los rayos gama, neutrinos y antimateria tiene firmas de energía características si provienen de materia oscura.

- Podrían mejorar el entendimiento de cómo se formaron los elementos pesados. Las primeras estrellas supuestamente eran la cúpula de elementos tanto o más pesados que el carbono, produciéndolos por fusión nuclear. Pero si las estrellas oscuras existieron y no evolucionaron en estrellas normales, no hicieron carbono. "Tal vez el carbono vino de otras estrellas" - quizás estrellas convencionales que se formaron donde no había materia oscura cerca, dijo Gondolo.

- Las estrellas oscuras podrían explicar por qué los agujeros negros - estrellas colapsadas tan densas que ni la luz puede escapar - se formaron mucho más rápido de lo esperado. Gondolo dijo que los agujeros negros existieron sólo unos pocos cientos de millones de años luego del big bang, aunque teorías actuales dicen que les tomó más tiempo formarse. "Estas estrellas oscuras podrían ayudar. Podrían colapsar en agujeros negros muy temprano porque viven muy poco y se formaron cuando el universo era joven, al menos en un escenario".

Otra posibilidad es que las estrellas oscuras duraran bastante tiempo pero eventualmente se convirtieran en estrellas convencionales. Gondolo y sus colegas, sin embargo, argumentan que el gas enfriándose y la materia oscura calentándose dentro de una estrella oscura se podría mantener balanceado, permitiendo a la estrella oscura sobrevivir, pero eso depende de asumir ciertas cosas acerca de la masa de los neutralinos.

"No sabemos cuánto duran, así que especulamos. Depende muy sensiblemente de los parámetros del modelo".

(lt) (mg)

Más información en:
http://www.unews.utah.edu/