Estrellas oscuras

Noticia de prensa:
Las “estrellas oscuras” podrían haber poblado el inicio del universo.

La idea se puede entender desde el marco de un modelo sencillo de formación estelar. Todo empieza con una nube molecular, generalmente en equilibrio virial. En la nube existen inestabilidades gravitacionales que dan lugar a perturbaciones, inducidas por ejemplo a través de ondas de presión. Si la masa y consiguiente gravitación de la perturbación en la nube es suficiente como para vencer la presión del gas, entonces empieza un proceso de colapso gravitacional de la perturbación. A la masa de la perturbación necesaria para que el colapso pueda darse se la denomina masa de Jeans. Este valor varía proporcionalmente con la temperatura e inversamente con la densidad como:



En el estadio temprano del colapso la nube es todavía transparente a la radiación y es capaz de evacuar energía a través de emisión electromagnética. Esto significa que en el inicio del colapso la nube puede mantenerse a temperatura más o menos constante y se da un colapso aproximadamente isotermo. Por tanto, aumentando la densidad durante el colapso y manteniendo una temperatura constante, hace que la masa de Jeans disminuya. Esto lleva a que la nube sea capaz de fragmentar, al poderse dar el colapso en regiones cada vez menores.

La densidad de los fragmentos aumenta debido al colapso hasta que llega a un estado en el que la nube o sus fragmentos se hacen opacos a la radiación, convirtiendo el colapso de isotermo a adiabático, esto es, volviéndose incapaz de evacuar calor. La capacidad de evacuar calor depende de los mecanismos de enfriamiento en la nube original. Un mecanismo de enfriamiento determinante es la existencia de metales, moléculas o polvo con sus respectivas líneas de emisión. Una vez llegada la fase de colapso adiabático deja de tener lugas más fragmentación y el colapso continúa hasta que se inicia la fusión nuclear que genera presión suficiente como para lograr un equilibrio.

Añadir materia oscura a este cuadro resulta en que el colapso gravitacional inicial concentra la materia oscura y con ello aumenta la cantidad de colisiones entre partículas y antipartículas de esta. Nótese que la falta observacional de antimateria es un específico del sector bariónico, mientras que la materia oscura no-bariónica debería estar compuesta en partes iguales por ambos tipos de partículas. Así, la aniquilación da lugar a radiación electromagnética que, a su vez, genera más calor, dificultando el proceso natural de enfriamiento y evacuación de calor mencionado anteriormente, e incrementando la presión de radiación.

Este proceso de aniquilación entre materia y antimateria se da probablemente en toda estrella, como por ejemplo también en el sol. La cuestión es en qué medida. El estudio este sugiere que este proceso se da de forma esencial en las estrellas de populación III (o primera generación). En ellas, la falta de metales (al no proceder de supernovas previas) hace que el enfriamiento sea débil y esté dominado por la formación de hidrógeno molecular. Tal debilidad del enfriamiento hace que el el proceso de aniqulación se perfile como importante. El proceso domina incluso determinando una fase inicial de evolución estelar, en la cual el proceso de colapso asumido hasta hoy, y que lleva a la aparición de la fusión nuclear, es ralentizando.

La evolución posterior de ese tipo de estrellas creo que no está clara, o al menos yo no saco nada en claro tras leer el papel original Dark matter and the first stars: a new phase of stellar evolution. Una posibilidad es que la temperatura aumente y se inicie la fusión nuclear, dando probablemente lugar a una estrella de la secuencia principal. En este escenario la aparición de las primeras estrellas de populación III quedaría algo atrasada. Otra de las posibilidades que se barajan (o mencionan superficialmente) es que la fase oscura de alguno de esos objetos sea más estable y dure hasta la actualidad sin permitir el paso por la secuencia principal.

En general, el artículo menciona que la posible detección no está al alcance de los observatorios actuales y necesitará de un instrumento infrarrojo potente como el James Webb Space Telescope cuyo lanzamiento está previsto para el 2013.


Interesante página sobre las primeras estrellas aquí.