Înainte ca primele stele obișnuite să strălucească în vastitatea cosmosului, Universul era un loc dominat de întuneric și simplitate. Gazele primordiale – hidrogenul și heliul – se adunau lent sub acțiunea gravitației, pregătind scena pentru aprinderea primelor surse de lumină. Însă, potrivit unor ipoteze recente din cosmologia modernă, înaintea acestor prime stele convenționale ar fi putut exista un tip de stele cu totul diferit: stelele alimentate de materia întunecată, entități uriașe, reci și misterioase.
Dacă aceste stele au existat cu adevărat, ele ar fi fost primele faruri ale cosmosului, aprinse nu de focul fuziunii, ci de energia nevăzută a materiei întunecate – o lumină născută din întuneric, marcând începutul unei istorii cosmice ce continuă să ne uimească și astăzi.
Originea ipotezei
Conceptul de „stele alimentate de materia întunecată” a fost propus pentru prima dată la sfârșitul anilor 2000 de către o echipă condusă de Katherine Freese, astrofizician la Universitatea din Texas, Statele Unite. Ideea a pornit de la o întrebare fundamentală: dacă materia întunecată reprezintă cea mai mare parte a masei din Univers, ar fi putut ea influența procesul de formare a primelor stele?
Materia întunecată, despre care se presupune că este alcătuită din particule masive care interacționează slab (denumite WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles), are proprietatea teoretică de a se anihila atunci când o particulă întâlnește antiparticula sa. Această anihilare ar elibera o cantitate uriașă de energie sub formă de radiație și particule relativiste. În regiunile timpurii ale Universului, unde densitatea materiei întunecate era mult mai mare decât astăzi, această energie ar fi putut deveni o sursă alternativă de „combustibil” pentru stele.
Nașterea acestor stele neobișnuite
Primele protostele s-au format în halouri de materie întunecată, unde gazul de hidrogen și heliu se răcea lent și se condensa. În mod normal, procesul de contracție gravitațională ar fi dus la creșterea temperaturii centrale, până când presiunea și temperatura ar fi devenit suficiente pentru a iniția fuziunea nucleară. Însă, în cazul în care în aceste halouri existau concentrații mari de materie întunecată, energia provenită din anihilarea WIMP-urilor ar fi încălzit norul de gaz, împiedicând colapsul complet.
Astfel ar fi apărut stelele alimentate de materia întunecată: sfere gigantice, cu mase de ordinul a sute sau chiar mii de mase solare, menținute în echilibru de căldura generată de materia întunecată din interiorul lor.
În loc să strălucească intens și să aibă temperaturi de milioane de grade, cum se întâmplă în stelele obișnuite, aceste obiecte ar fi fost relativ reci, cu temperaturi de suprafață de doar câteva mii de grade. Lumina lor ar fi avut o nuanță roșiatică, iar durata de viață ar fi putut depăși cu mult pe cea a stelelor convenționale.
Mecanismul energetic
Sursa de energie a acestor stele ar fi deci anihilarea materiei întunecate. Dacă densitatea de materie întunecată într-o regiune este suficient de mare, particulele și antiparticulele se pot întâlni frecvent, transformându-se în radiație. Această energie este absorbită de gazul din jur, încălzindu-l și stabilizând structura stelei.
Matematic, rata de generare a energiei prin anihilare depinde de densitatea locală a materiei întunecate și de secțiunea de interacțiune eficace a particulelor. Acest proces ar fi fost eficient doar în epocile timpurii ale Universului, în zorii cosmici, când densitatea medie a materiei întunecate era mult mai mare.
Ceea ce este fascinant este faptul că o astfel de stea nu ar fi avut nevoie de fuziune pentru a străluci. Într-un anumit sens, stelele alimentate de materia întunecată ar fi fost „fantome luminoase” ale Universului primordial, care transformau direct energia materiei întunecate în lumină vizibilă.
Tranziția către stelele convenționale
Pe măsură ce materia întunecată din interiorul acestor stele era consumată prin anihilare, sursa lor principală de energie ar fi început să se epuizeze. În cele din urmă, presiunea internă ar fi scăzut, iar gazul s-ar fi contractat, crescând temperatura centrală până la punctul în care fuziunea nucleară ar fi fost posibilă. Astfel, o stea alimentată de materia întunecată s-ar fi transformat într-o stea convențională populație III, adică una dintre primele stele „adevărate” din Univers.
Această tranziție este una dintre cele mai interesante ipoteze din cosmologia actuală, deoarece ar putea explica anumite caracteristici observate ale Universului timpuriu. De exemplu, dacă aceste stele au existat, ele ar fi influențat reionizarea cosmică și formarea primelor găuri negre masive, cele care ulterior au devenit nucleele galaxiilor.
Dovezi și căutări actuale
Deși până acum nu s-au observat direct astfel de stele, telescoapele moderne, precum Telescopul Spațial James Webb (JWST), pot detecta semnături potențiale ale acestora. În 2023, unele imagini obținute de JWST au dezvăluit galaxii foarte strălucitoare, formate la numai câteva sute de milioane de ani după Big Bang. Luminozitatea și masa acestor obiecte par neobișnuit de mari pentru acea epocă, ceea ce a determinat unii astrofizicieni să sugereze că ar putea fi candidați pentru stele alimentate de materia întunecată.
În plus, modelele teoretice indică faptul că aceste stele ar fi extrem de mari – chiar de ordinul a zeci de unități astronomice în diametru – și ar emite predominant în infraroșu. Astfel, JWST, cu sensibilitatea sa ridicată în domeniul infraroșu, este instrumentul ideal pentru a căuta urmele lor.
Implicații cosmologice
Dacă existența stelelor alimentate de materia întunecată va fi confirmată, consecințele ar fi profunde. În primul rând, ar demonstra că materia întunecată nu este doar un participant pasiv la evoluția cosmică, ci un actor activ în primele etape de formare a structurilor cosmice. În al doilea rând, ar oferi indicii cruciale despre natura particulelor de materie întunecată, în special despre masa și interacțiunile lor.
Mai mult, aceste stele ar putea fi precursorii găurilor negre supermasive observate la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang. Dacă o stea alimentată de materia întunecată ar colapsa la sfârșitul vieții sale, ar forma o gaură neagră cu o masă inițială uriașă, capabilă să crească rapid prin acreție și să dea naștere colosilor cosmici din centrele galaxiilor.