Le stelle appaiono luminose contro l’oscurità dello Spazio grazie alla fusione, gli atomi si fondono insieme e rilasciano energia. Cosa succederebbe se ci fosse un altro modo per alimentare una stella? Un team di tre astrofisici – Katherine Freese dell’Università del Texas ad Austin, in collaborazione con Cosmin Ilie e Jillian Paulin della Colgate University – ha analizzato le immagini del James Webb Space Telescope (JWST) e ha trovato 3 oggetti luminosi che potrebbero essere “stelle oscure“, oggetti teorici molto più grandi e luminosi del nostro Sole, alimentati da particelle di materia oscura che si annientano. Se confermate, le stelle oscure potrebbero rivelare la natura della materia oscura, uno dei problemi irrisolti più profondi di tutta la fisica.
“Scoprire un nuovo tipo di stella è piuttosto interessante di per sé, ma scoprire che è la materia oscura ad alimentarle sarebbe grandioso,” ha affermato Freese, direttore del Weinberg Institute for Theoretical Physics e Jeff and Gail Kodosky Endowed Chair in Physics all’UT Austin.
Sebbene la materia oscura costituisca circa il 25% dell’universo, la sua natura sfugge agli scienziati. Si ritiene che sia costituita da un nuovo tipo di particella elementare e la caccia per rilevarla è iniziata. Tra i principali candidati vi sono le particelle massicce a interazione debole. Quando si scontrano, queste si annientano, depositando calore nelle nubi di idrogeno che collassano e convertendole in stelle oscure splendenti. L’identificazione di stelle oscure supermassicce aprirebbe la possibilità di conoscere la materia oscura in base alle proprietà osservate.
La ricerca è stata pubblicata su Proceedings of the National Academy of Sciences. Le tre stelle oscure candidate (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0) sono state originariamente identificate come galassie nel dicembre 2022 dal JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Utilizzando l’analisi spettroscopica, il team di JADES ha confermato che gli oggetti sono stati osservati in tempi che vanno da circa 320 milioni a 400 milioni di anni dopo il Big Bang, rendendoli alcuni dei primi oggetti mai osservati. “Quando guardiamo i dati di James Webb, ci sono due possibilità in competizione per questi oggetti,” ha detto Freese. “Uno è che sono galassie contenenti milioni di stelle ordinarie, popolazione-III. L’altro è che sono stelle oscure. E che ci crediate o no, una stella oscura ha abbastanza luce per competere con un’intera galassia di stelle“.
Le stelle oscure potrebbero teoricamente crescere fino a diventare diversi milioni di volte la massa del nostro Sole e fino a 10 miliardi di volte più luminose del Sole. “Nel 2012 avevamo previsto che le stelle oscure supermassicci potessero essere osservate con JWST,” ha dichiarato Ilie, assistente professore di fisica e astronomia alla Colgate University. “Come mostrato nel nostro articolo recentemente pubblicato, abbiamo già trovato 3 candidate stelle oscure supermassicci durante l’analisi dei dati JWST per i 4 oggetti JADES ad alto spostamento verso il rosso confermati spettroscopicamente da Curtis-Lake et al., e sono fiducioso che presto ne identificheremo molti altri“.
L’idea delle stelle oscure è nata da una serie di conversazioni tra Freese e Doug Spolyar, all’epoca uno studente laureato all’Università della California, a Santa Cruz. Si sono chiesti: cosa fa la materia oscura alle prime stelle che si formano nell’universo? Quindi hanno contattato Paolo Gondolo, un astrofisico dell’Università dello Utah, che si è unito al team. Dopo diversi anni hanno pubblicato il loro primo studio su questa teoria su Physical Review Letters nel 2008.
Insieme, Freese, Spolyar e Gondolo hanno sviluppato un modello che funziona più o meno così: al centro delle prime protogalassie ci sarebbero ammassi molto densi di materia oscura, insieme a nubi di idrogeno e gas elio. Quando il gas si raffredda, collassa trascinando con sé la materia oscura. Con l’aumentare della densità, le particelle di materia oscura si annientano sempre di più, aggiungendo sempre più calore, il che impedisce al gas di collassare fino a raggiungere un nucleo abbastanza denso da supportare la fusione come in una normale stella. Invece, continua a raccogliere più gas e materia oscura, diventando grande e molto più luminoso delle normali stelle. A differenza delle stelle ordinarie, la fonte di energia sarebbe uniformemente distribuita, e non concentrata nel nucleo. Con abbastanza materia oscura, le stelle oscure potrebbero accrescersi fino a diventare diverse milioni di volte la massa del nostro Sole e oltre 10 miliardi di volte più luminose.
