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La materia oscura podría hacer inmortales a las estrellas más internas de nuestra galaxia

A la izquierda un diagrama HR en el que se considera la aniquilación de materia oscura. A la derecha un diagrama HR convencional. Fuente: Isabelle John y colaboradores.

Empecemos diciendo que no todo estudio científico termina siendo ciencia asentada, por lo que pueden ser estudios un tanto especulativos. Alrededor del asunto de materia oscura proliferan muchos de estos estudios. El que vamos a considerar en estas lineas es uno de ellos y plantea la posibilidad de que las estrellas cercanas al centro de nuestra galaxia, que actúan de forma un tanto extraña, estén usando directamente materia oscura.

En concreto, un equipo de científicos ha descubierto una nueva potencial clase de estrellas que podrían existir a un año luz del centro de la Vía Láctea y que podrían estar operando bajo un mecanismo inusual: la aniquilación de la materia oscura.

Este proceso produciría una presión hacia afuera sobre las estrellas distinta a la que produce el calor por la fusión del hidrógeno. Como todos sabemos, una estrella es un objeto en equilibrio. Por un lado la gravedad tiene a comprimir la estrella y, por el otro lado, el calor interno de la misma tiende a expandirla. En este caso considerado, la aniquilación de materia oscura evitaría que la estrella colapsase gravitacionalmente. De ser cierto, este nuevo mecanismo alargaría enormemente la vida de estas estrellas.

Colectivamente, las estrellas alimentadas por materia oscura habitarían una nueva región de un diagrama diagrama de Hertzsprung-Russell que clasifica las estrellas por su temperatura y luminosidad. Las estrellas pasan la mayor parte de sus vidas en una especie de diagonal en ese diagrama que se llama secuencia principal. Cuando las estrellas se forman o llegan al final de sus vidas se alejan de esa secuencias principal. En el caso de las estrellas supuestamente alimentadas por materia oscura también estarían alejadas de la secuencia principal.

Observar nuestro centro galáctico, alrededor del cual giran las estrellas de la galaxia, es bastante difícil, ya que la región es extremadamente brillante. En el centro se encuentra un agujero negro supermasivo, Sagitario A*, con una masa de cuatro millones de veces la del Sol. Las estrellas cercanas a Sgr A* lo orbitan a velocidades de varios miles de kilómetros por segundo, altas en comparación con la velocidad orbital del Sol que es de 240 km/s.

Estas estrellas internas cercanas al centro, llamadas estrellas del cúmulo S, son muy desconcertantes y tienen propiedades diferentes a cualquier otra en la Vía Láctea. Se desconoce su procedencia, ya que el entorno a unos tres años luz del centro se considera hostil a la formación de estrellas. Parecen ser mucho más jóvenes de lo que se esperaría si se hubieran mudado hacia adentro desde algún otro lugar. Lo más misterioso de todo es que parecen inusualmente jóvenes y, también, e inesperadamente, parece haber muchas estrellas pesadas.

Las estrellas son hornos nucleares que generan calor gastando hidrógeno mediante fusión nuclear. Como hemos mencionado antes, la radiación térmica de esta reacción, así como la convección termodinámica del plasma estelar, ejerce una fuerza hacia afuera sobre los componentes de una estrella, principalmente hidrógeno y helio. Esa fuerza está en equilibrio con la fuerza interna de la autogravedad.

El diagrama de Hertzsprung-Russell (HR) clasifica las estrellas trazando su luminosidad frente a la temperatura efectiva de su superficie. Excluyendo las enanas blancas y las gigantes rojas, la «secuencia principal» de este diagrama se curva desde la esquina superior izquierda hasta la esquina inferior derecha, y la mayoría de las estrellas caen en esta curva. El Sol cae cerca del medio en la secuencia principal, ya que las luminosidades se representan como su relación con la del Sol. Las estrellas en diferentes ubicaciones de la secuencia corresponden a estrellas de diferentes masas y edades.

Sin embargo, la materia oscura también existe en la galaxia. Su presencia ha sido inferida por observaciones que encuentran insuficiente materia ordinaria para explicar las velocidades de rotación de las estrellas alrededor del Centro Galáctico superiores a las esperadas.

La densidad de la materia oscura es mayor cerca del centro galáctico y disminuye con la distancia. Es razonable esperar que se incorpore dentro de estrellas cercanas al centro, donde la materia oscura es más densa. De ser así, la aniquilación entre partículas y antipartículas de materia oscura que chocan entre sí produciría una presión adicional hacia el exterior dentro de una estrella y podría incluso dominar la fusión nuclear.

Un equipo de investigación de Estocolmo y Stanford ha descubierto que incorporar la materia oscura a la dinámica de las estrellas más internas resuelve muchas de las paradojas conocidas.

Para incorporar la aniquilación de la materia oscura, el grupo utilizó parámetros de formación estelar relativamente estándar a lo largo del curso evolutivo de la Vía Láctea y partículas de materia oscura ligeramente más masivas que el protón. Utilizaron un modelo numérico de evolución estelar y supusieron que las estrellas emigran en la secuencia principal hacia el Centro Galáctico. Luego comenzaron a inyectar energía procedente de la aniquilación de materia oscura en la composición de las estrellas. Finalmente las estrellas simuladas evolucionaban hasta alcanzar la rama de gigante roja en el diagrama HR, o hasta alcanzar una edad de 10 mil millones de años, la vida de la Vía Láctea.

Calcularon poblaciones estelares sin y con presencia de materia oscura. Con la materia oscura, las estrellas más masivas experimentaron una menor densidad de materia oscura y el hidrógeno en su núcleo se fusionó más lentamente, por lo que su evolución se ralentizó. Pero las estrellas en una región de mayor densidad de materia oscura cambiaron significativamente: mantuvieron el equilibrio a través de la quema de materia oscura con menos fusión o ninguna fusión, lo que condujo a una nueva población estelar en una región HR por encima de la secuencia principal.

«Nuestras simulaciones muestran que las estrellas pueden sobrevivir sólo con materia oscura como combustible y debido a que hay una cantidad extremadamente grande de materia oscura cerca del Centro Galáctico, estas estrellas se vuelven inmortales», dice la coautora principal Isabelle John de la Universidad de Estocolmo.

Su modelo de materia oscura puede explicar más misterios conocidos. Así, en las simulaciones ven que las estrellas más ligeras se hinchan mucho y podrían incluso perder partes de sus capas exteriores. Algo similar a esto podría observarse en el Centro Galáctico: los llamados objetos G, que podrían tener forma de estrellas, pero con una nube de gas a su alrededor.

Se sabe que existe un número limitado de estrellas individuales tan cerca del Centro Galáctico, ya que la región es extremadamente brillante. Los próximos telescopios de 30 metros podrán ver mucho mejor la región, lo que permitirá a los científicos comprender mejor la población de sus estrellas y verificar o descartar esta secuencia principal oscura.

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Fuentes y referencias:
Preprint en ArXiv.