La materia oscura es uno de los misterios más desconcertantes de la naturaleza. Mantiene a los físicos de partículas despiertos por las noches y a los cosmólogos pegados a sus simulaciones de supercomputadoras. Sabemos que es real porque su masa impide que las galaxias se desintegren. Pero desconocemos qué es.
La materia oscura no tolera otras materias y podría preferir su propia compañía. Si bien no parece interactuar con la materia bariónica regular, podría reaccionar consigo misma y autoaniquilarse. Necesita un entorno compacto para hacerlo, lo que podría abrir una vía para que los astrofísicos finalmente la detecten.
Una nueva investigación teórica describe cómo podría ocurrir esto y afirma que los objetos subestelares, básicamente enanas marrones, podrían albergar el proceso. La investigación se titula «Enanas oscuras: objetos subestelares alimentados por materia oscura que esperan ser descubiertos en el centro galáctico» y se publicó en la Revista de Cosmología y Física de Astropartículas. El autor principal es Djuna Croon, físico teórico y profesor adjunto del Instituto de Fenomenología de la Física de Partículas del Departamento de Física de la Universidad de Durham.
Las enanas marrones son objetos subestelares más grandes que los planetas, pero no lo suficientemente masivos como para desencadenar la fusión de hidrógeno. Cuando se forman, siguen el mismo proceso que las estrellas. Pero, por desgracia para ellas, la acreción de gas se detiene y frena su crecimiento. No pueden alcanzar la masa suficiente para desencadenar la fusión de hidrógeno y están condenadas a una vida de oscuridad. Generan algo de calor mediante la breve fusión de deuterio y la contracción gravitacional, pero nunca brillarán con la intensidad de las estrellas.
En términos de luminosidad, son más tenues que las enanas blancas, pero ligeramente más brillantes que los gigantes gaseosos como Júpiter. Con el tiempo, las enanas marrones se enfrían y se vuelven cada vez más tenues. Las enanas marrones son notoriamente difíciles de detectar debido a su oscuridad y baja masa.
Croon y sus coinvestigadores sugieren que la aniquilación de la materia oscura podría hacer detectables algunas enanas marrones. Las partículas de materia oscura podrían ser sus propias antipartículas y pueden aniquilarse entre sí cuando su densidad es alta. Según E=mc2, su aniquilación convierte su masa en energía y produce partículas del Modelo Estándar, como fotones, electrones y positrones.
«La materia oscura interactúa gravitacionalmente, por lo que podría ser capturada por las estrellas y acumularse en su interior», explicó el coautor Jeremy Sakstein en un comunicado de prensa. «Si esto ocurre, también podría interactuar consigo misma y aniquilarse, liberando energía que calienta la estrella». Sakstein es profesor de física en la Universidad de Hawái.
Hay más materia oscura cerca del centro galáctico, y los autores creen que es aquí donde se puede acumular suficiente materia oscura en las enanas marrones como para que se produzca la autoaniquilación. Cuando esto sucede, se crea otro tipo de objeto subestelar: las enanas oscuras.
«Estos objetos acumulan la materia oscura que les permite convertirse en enanas oscuras. Cuanta más materia oscura haya alrededor, más se puede capturar», explica Sakstein. «Y cuanta más materia oscura acabe dentro de la estrella, más energía se producirá mediante su aniquilación».
Existen muchas partículas candidatas a materia oscura. Una de ellas son las partículas masivas de interacción débil (WIMP), y este modelo teórico solo funciona si las WIMP son realmente lo que es la materia oscura. «Para que existan las enanas oscuras, la materia oscura debe estar compuesta de WIMP, o cualquier partícula pesada que interactúe consigo misma con tanta fuerza como para producir materia visible», afirma Sakstein.
Si podemos detectar estas enanas oscuras, básicamente estamos detectando materia oscura. La detección se basa en el litio-7, un isótopo de litio natural que es el más abundante y estable de todos. Las enanas marrones normales agotarían su litio-7, mientras que las enanas oscuras lo conservarían.
«Las enanas oscuras se diferencian físicamente de las enanas marrones/rojas en varios aspectos», escriben los autores. Son ligeramente más masivas y se alimentan principalmente de la aniquilación de la masa molecular, con un componente adicional de fusión estable de hidrógeno. Su luminosidad, radio y temperatura efectiva se mantienen constantes a lo largo del tiempo. Los autores también explican que estas enanas oscuras conservarían su litio, mientras que este se agotaría por la combustión nuclear en las enanas marrones.
«La prueba de litio es un método principal para confirmar que un objeto es una enana marrón», escriben los investigadores. Los astrónomos utilizan las líneas de litio en los espectros estelares para rastrear la historia de la temperatura central de las enanas marrones y las estrellas jóvenes, y para determinar en qué época evolutiva se encuentran.
«La detección de litio-7 en objetos más pesados que el límite de combustión de litio proporcionaría evidencia de la existencia de calentamiento de la masa molecular», escriben los investigadores en su artículo. «Una consecuencia de esto es que las enanas oscuras pueden identificarse por su mayor abundancia de litio a pesar de su masa relativamente grande y su edad estelar avanzada». También muestran que la cantidad de litio retenido a lo largo del tiempo depende de la masa y la densidad de la materia oscura.
«Había algunos marcadores, pero sugerimos el litio-7 porque sería un efecto realmente único», explicó Sakstein. Las estrellas comunes consumen litio-7 rápidamente. «Así que, si se encuentra un objeto que se parece a una enana oscura, se podría buscar la presencia de este litio, ya que no estaría presente si fuera una enana marrón o un objeto similar».
Las enanas oscuras son objetos extremadamente fríos, y aunque el JWST podría detectarlas, podría haber otra manera, según Sakstein. «Otra opción sería observar una población completa de objetos y preguntarse, estadísticamente, si se describe mejor con una subpoblación de enanas oscuras o no».
Encontrar enanas oscuras contribuiría en gran medida a responder la pregunta sobre la naturaleza de la materia oscura. Si pudiéramos detectar algunas enanas oscuras, reforzaríamos la idea de que la materia oscura es una WIMP.
«Con candidatos ligeros a materia oscura, algo como un axión, no creo que se pudiera obtener algo como una enana oscura», dijo Sakstein. «No se acumulan dentro de las estrellas. Si logramos encontrar una enana oscura, proporcionaríamos evidencia convincente de que la materia oscura es pesada e interactúa fuertemente consigo misma, pero solo débilmente con el Modelo Estándar. Esto incluye clases de WIMP, pero también otros modelos más exóticos», concluye Sakstein.
«Observar una enana oscura no nos diría de forma concluyente que la materia oscura es una WIMP, pero significaría que es una WIMP o algo que, a todos los efectos, se comporta como una WIMP».
Con información Physics
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