El 95% de la masa de las galaxias y de los cúmulos galácticos es materia oscura. No se sabe lo que es, pero podrían ser partículas tipo WIMP con una masa de unos 100 GeV. Las mejores estimaciones de su posible tasa de aniquilación indican que las primeras estrellas del universo, que nacieron en los halos de materia oscura, debían tener una gran cantidad de materia oscura en su interior. El combustible de las primeras estrellas podría haber sido la aniquilación de esta materia oscura. Estas primeras estrellas se denominan estrellas oscuras. Si existieron agujeros negros primordiales, podrían haber sido atraídos hacia el centro de estas estrellas, dando lugar a la aparición de los primeros agujeros negros astrofísicos, que a su vez darían lugar a los superagujeros negros que se encuentran en el centro de las galaxias de materia ordinaria que observamos hoy en día. Estas ideas, que pueden parecer descabelladas, fueron propuestas por D. Spolyar, K. Freese, P. Gondolo, «Dark matter and the first stars: a new phase of stellar evolution,» Phys. Rev. Lett. 100: 051101, 2008 [ArXiv preprint], y Cosimo Bambi, Douglas Spolyar, Alexander D. Dolgov, Katherine Freese, Marta Volonteri, «Implications of primordial black holes on the first stars and the origin of the super–massive black holes,» Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 399: 1347-1356, 2009 [ArXiv preprint].

Las WIMPs (Weakly-Interacting Massive Particles) son uno de los candidatos más prometedores para la materia oscura. Si las WIMPs son partículas de Majorana (iguales a sus antipartículas) podrían autoaniquilarse con una sección transversal de 3 × 10⁻²⁶ cm³/s, valor compatible con la abundancia de materia oscura fría observada en la actualidad. Si estas WIMPs, de alguna manera, llegaron al núcleo de las primeras estrellas, el resultado de su aniquilación podrían haber cambiado bastante las propiedades de estas estrellas. ¿Cómo podrían haber llegado hasta allí? Hay dos mecanismos razonables que ilustra en forma de esquema la figura que abre esta entrada (fuente en ArXiv). Por un lado la contracción gravitatoria de una nube de materia primordial que contendrían tanto materia bariónica como materia oscura. Por otro lado, la dispersión de las WIMPs con los núcleos de la materia bariónica de la estrella, les haría perder energía cinética y acabar atrapadas por la gravedad de la estrella. Por tanto, las estrellas oscuras tendrían materia oscura solo en su núcleo. El efecto de esta materia oscura es importante, pues sería una fuente adicional de calor (energía) para sostener la estrella contra la gravedad que permitiría que la masa de la estrella pudiera crecer mucho más que en su ausencia. Aunque los cálculos son difíciles, se estima que podrían haber nacido estrellas oscuras supermasivas con una masa de varios millones de veces la del Sol. Para muchos investigadores estos cálculos son aún muy especulativos.

La observación de estas estrellas oscuras primordiales es imposible, salvo que hubieran podido alcanzar masas enormes. Los estudios teóricos afirman que podrían haber crecido hasta alcanzar masas de 10 millones de veces la masa del Sol (el límite superior depende de detalles del modelo). Estas superestrellas oscuras podrían ser observadas mediante el Telescopio Espacial James Webb (JWST) si su masa está entre 10 mil y 10 millones de veces la del Sol y su corrimiento al rojo está entre z=10 y z=15. Las observaciones con el telescopio Hubble y los grandes telescopios terrestres solo alcanzan a verlas hasta z=10 y como no las han encontrado aún, descartan su existencia con un corrimiento al rojo de hasta z = 10 (y masas mayores de 10 mil veces la del Sol). Si existieron estas estrellas oscuras, tuvieron que tener una vida muy corta que finalizó antes de alcanzar z=10. Estrellas oscuras con menor masa (incluso del orden de 1000 veces la del Sol) no pueden ser descartadas por los telescopios actuales ni por el futuro JWST. Nos lo contaron Erik Zackrisson et al., «Observational constraints on supermassive dark stars,» MNRAS 407: L74, 2010 [ArXiv preprint].

Hay otra vía para la observación de estrellas oscuras, o al menos de la presencia de materia oscura en el centro de las estrellas convencionales. El telescopio Fermi de rayos X, e incluso PAMELA o HESS, podrían observar los rayos X producidos por la aniquilación de la materia oscura en el núcleo de una estrella. Los flujos de rayos gamma extragalácticos de fondo se multiplicarían por uno o incluso dos órdenes de magnitud de existir las estrellas oscuras, según los modelos numéricos (el valor exacto del incremento depende del modelo y de la masa de la partícula de materia oscura considerada). Como no ha sido observada dicha amplificación, los resultados experimentales de Fermi/LAT descartan la presencia de las estrellas oscuras en la actualidad e imponen límites muy restrictivos a su posible presencia entre las primeras estrellas en la época oscura del universo. Todo apunta a la imposibilidad de la formación de estrellas oscuras en el universo temprano. Nos lo contaron Qiang Yuan, Bin Yue, Bing Zhang, Xuelei Chen, «Constraint on dark matter annihilation with dark star formation using Fermi extragalactic diffuse gamma-ray background data,» JCAP 04: 020, 2011 (ArXiv preprint), y Pearl Sandick, Juerg Diemand, Katherine Freese, Douglas Spolyar, «Black Holes in our Galactic Halo: Compatibility with FGST and PAMELA Data and Constraints on the First Stars,» JCAP 1101: 018, 2011 (ArXiv preprint). Ver también Douglas Spolyar, «Fermi on DM Spikes,» TeV Particle Astrophysis 2011 [por cierto, de este presentación he sacado la idea de la figura que abre esta entrada].

Astrofísicos portugueses han propuesto una tercera vía para detectar la existencia de estrellas oscuras, el cambio en la luminosidad esperada para los cúmulos estelares debido a la presencia de estrellas oscuras. Más aún, la proponen como explicación de la llamada «paradoja de la juventud,» la presencia de estrellas más jóvenes de lo esperado en el centro de la Vía Láctea (la fuerza de marea del agujero negro central no debería permitir su presencia). Las explicaciones existentes para esta paradoja dicen que estas estrellas se formaron en un cúmulo estelar masivo fuera del centro galáctico para luego llegar, ya formadas, donde están actualmente. Los astrofísicos portugueses proponen que la edad de los cúmulos estelares envueltos en grandes cantidades de materia oscura estaría subestimada debido a la presencia de las estrellas oscuras. Esta reciente propuesta teórica todavía no ha sido estudiada de forma experimental. Para los interesados en los detalles el artículo técnico es Jordi Casanellas, Ilídio Lopes, «Signatures of dark matter burning in nuclear star clusters,» ApJ 733: L51, 2011 (ArXiv preprint).

En resumen, las estrellas oscuras, tanto si solo existieron en la edad oscura del universo, como si aún siguen existiendo, son uno de los objetos astrofísicos más interesantes salidos de la mente de los astrofísicos teóricos. Hay un simulador de código abierto de la formación y evolución de las estrellas oscuras llamado DarkStars que permite que cualquiera experimente con las propiedades de estos fascinantes objetos (más información en Pat Scott, Joakim Edsjö, Malcolm Fairbairn, «The DarkStars code: a publicly available dark stellar evolution package,» ArXiv, 16 Apr 2009).