UMa3/U1: ¿cúmulo estelar oscuro o galaxia enana con materia oscura? El misterio cósmico que reabre el debate astronómico
A 30.000 años luz, el satélite más débil de la Vía Láctea desafía las clasificaciones estelares. Nuevas simulaciones apuntan a que podría ocultar un núcleo de agujeros negros en lugar de materia oscura.
Por Enrique Coperías
Ursa Major III/UNIONS 1: un antiguo y compacto sistema estelar de unas sesenta estrellas, cuya dispersión de velocidades inusualmente alta apunta a la existencia de varios miles de masas solares de materia oculta dentro del cúmulo. Cortesía: CFHT / UNIONS / S.Gwyn
En los últimos años, el mapa de la Vía Láctea se ha llenado de diminutos satélites estelares que orbitan a su alrededor. Algunos encajan sin problemas en las categorías conocidas: los cúmulos globulares, densos y compactos, formados por estrellas muy antiguas; y las galaxias enanas, sistemas más difusos cuya masa parece dominada por materia oscura.
Pero entre ambas familias existe un territorio intermedio donde la clasificación astronómica no es tan sencilla.
El objeto Ursa Major III / UNIONS 1 (UMa3/U1), descubierto recientemente, es uno de los casos más extremos y llamativos de esta zona gris. Se trata del satélite más débil de la Vía Láctea y, por sus características, ha generado un intenso debate sobre su verdadera naturaleza.
Qué es UMa3/U1 y por qué hay que fijarse en él
UMa3/U1 se encuentra a unos 30.000 años luz de distancia, en la constelación de la Osa Mayor. Su radio luminoso es diminuto —apenas 3 ± 1 pársecs, unos diez años luz— y su población estelar es muy vieja (más de 11.000 millones de años) y pobre en metales. Brilla con una luminosidad total de solo unas decenas de soles, lo que lo coloca en el extremo más débil del catálogo galáctico.
A simple vista, su tamaño compacto recuerda a un cúmulo globular. Sin embargo, al medir cómo varían las velocidades de sus estrellas, se obtiene una relación masa-luz dinámica (MDyn/L) de alrededor de 1.900. Esto significa que, para la luz que emite, aparenta tener 1.900 veces más masa, un valor muchísimo mayor que el de un cúmulo globular típico (≈2) y más parecido al de una galaxia enana dominada por materia oscura.
Con un muestreo espectroscópico de solo once estrellas y la posible interferencia de sistemas binarios, la medida no es definitiva, pero sí lo bastante intrigante como para cuestionar las ideas previas.
El dilema astronómico: cúmulo o galaxia
Hasta ahora, UMa3/U1 había sido catalogado como una galaxia enana oscura, un sistema cuya masa se explicaría mayoritariamente por la presencia de materia oscura. Pero un equipo internacional, con investigadores de la Universidad de Bonn y el Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS) de Irán, propone una alternativa radical: podría tratarse de un cúmulo estelar oscuro.
Este concepto lo usan los astrónomos para describir cúmulos estelares que, tras miles de millones de años de interacción gravitatoria con la Vía Láctea, han perdido la mayor parte de sus estrellas visibles. En su núcleo queda una concentración de agujeros negros y estrellas de neutrones, restos de las estrellas más masivas, que actúa como un ancla gravitatoria para las pocas estrellas supervivientes.
«Los cúmulos estelares oscuros se forman cuando las interacciones gravitatorias con la Vía Láctea eliminan las estrellas externas de un cúmulo estelar —explica el profesor Hosein Haghi, investigador en la Universidad de Bonn y en el IASBS. Y añade—: Lo que queda es un núcleo oscuro y masivo que no emite luz. Este efecto se ha interpretado erróneamente como una señal de materia oscura».
El papel del BHSub: un motor invisible
En el corazón de un cúmulo estelar oscuro se forma lo que los astrofísicos llaman un subsistema de agujero negro (BHSub), una subpoblación de agujeros negros concentrada en el núcleo.
Este conjunto invisible inyecta energía al cúmulo estelar a través de interacciones gravitatorias cercanas, acelerando a las estrellas luminosas y ayudando a expulsarlas.
En la superficie, el cúmulo parece supervirial: sus estrellas se mueven más rápido de lo que justificaría la masa visible. El resultado es una relación masa-luz disparada, que puede alcanzar los miles, imitando el comportamiento de una galaxia enana oscura… pero sin materia oscura en absoluto.
Simulaciones que recrean la evolución del sistema
Para comprobar esta hipótesis, el equipo usó simulaciones por ordenador que reproducen, con gran detalle, tanto la evolución de las estrellas a lo largo de su vida como los efectos de la atracción gravitatoria mutua entre miles de ellas, algo que determina la forma y el destino del cúmulo con el paso del tiempo.
Para comprobar esta hipótesis, el equipo realizó simulaciones por ordenador llamadas de N-cuerpos con el programa NBODY7, que permiten recrear con gran precisión cómo cambian las estrellas a lo largo de su vida y cómo su gravedad mutua influye en el movimiento y la estructura de todo el cúmulo. Las condiciones iniciales —masa, tamaño, distribución de masas estelares, órbita y metalicidad— se calibraron con los datos observacionales de UMa3/U1.
Estas simulaciones astronómicas recrearon la evolución del sistema a lo largo de toda su vida. Los resultados mostraron que la configuración actual de UMa3/U1 puede explicarse perfectamente si se trata de un cúmulo estelar compacto sin materia oscura, cuyo núcleo de agujeros negros mantiene unidas a las pocas estrellas remanentes.
«Nuestro trabajo demuestra por primera vez que estos objetos son, con gran probabilidad, cúmulos estelares normales —señala el profesor Pavel Kroupa, miembro de las áreas de investigación Modelado y Materia en Bonn. Y añade—: Estos resultados resuelven un misterio importante en astrofísica».
El modelo M5: un gemelo digital
De entre todos los modelos probados, uno destacó especialmente: el M5, con masa inicial de 100.000 masas solares y un radio tridimensional de 8 pársecs.
Esta configuración no solo dio una relación masa-luz (≈1.900) igual a la observada, sino que también reprodujo el tamaño compacto que tiene UMa3/U1.
Según el modelo, el cúmulo entró en fase de cúmulo estelar oscuro hace unos 4.000 millones de años y le restan unos 2.000 millones antes de disolverse completamente. En el próximo milenio de millones de años, las pocas decenas de estrellas luminosas que conserva serán expulsadas, quedando un núcleo invisible de agujeros negros que también acabará dispersándose.
Una compleja red de estructuras estelares (en escala de grises) rodea a la Gran Nube de Magallanes (arriba a la izquierda) y a la Pequeña Nube de Magallanes (abajo a la derecha). El proyecto DELVE llevará a cabo la imagen de gran campo más profunda realizada hasta ahora en esta región, para estudiar la estructura y la historia de formación estelar en la periferia de las Nubes de Magallanes. Cortesía: Besla et al. (2016).
Mapeo del territorio de los cúmulos estelares oscuros
Los autores del estudio no se limitaron a escudriñar UMa3/U1: exploraron cómo evolucionan los cúmulos estelares oscuros en dos diagramas astronómicos clave para clasificar sistemas estelares:
✅ Radio luminoso vs. luminosidad total (Rh–L): los cúmulos estelares oscuros nacen en la zona de cúmulos globulares y, al perder estrellas, atraviesan la región ambigua de objetos de baja luminosidad, donde coexisten sistemas compactos y difusos. Esto explica por qué algunos satélites débiles parecen híbridos entre cúmulos y galaxias.
✅ Relación masa-luz dinámica vs. luminosidad (MDyn/L–L): Los cúmulos globulares normales se agrupan cerca de MDyn/L ≈ 2; las galaxias enanas en valores mucho mayores. Los cúmulos estelares oscuros trazarían un canal de transición entre ambos, subiendo desde 2 hasta 10.000 a medida que los agujeros negros dominan la masa total. Este canal engloba a UMa3/U1 y a otros objetos ambiguos, como Eridanus III y DELVE 1.
Una explicación para un vacío observado
En los diagramas astronómicos hay un hueco en luminosidad entre cúmulos y satélites ambiguos. Las simulaciones indican que esto es natural: en esa franja, la pérdida de estrellas luminosas es más rápida que en cualquier otra etapa, por lo que los sistemas pasan poco tiempo ahí. En cambio, en el régimen de muy baja luminosidad, la evolución se ralentiza y los cúmulos estelares oscuros permanecen más, aumentando la probabilidad de detectarlos.
Para Ali Rostami-Shirazi, doctorando en el IASBS y primer autor del estudio, la relevancia de estos resultados va más allá de un único objeto:
«Ni los modelos establecidos de materia oscura ni las teorías alternativas habían podido explicar satisfactoriamente la causa exacta de estas propiedades. Los objetos intermedios como UMa3/U1 son un tema candente en astrofísica y objeto de una intensa investigación».
El equipo de Bonn e Irán se considera pionero en este tipo de simulaciones especializadas, fruto de años de desarrollo de métodos numéricos capaces de describir en detalle la dinámica compleja de sistemas estelares. «Nuestros resultados ofrecen una nueva base para comprender estos objetos misteriosos y abren nuevas perspectivas para la investigación galáctica», sostiene Kroupa.
Un desenlace con consecuencias
Si UMa3/U1 no es una microgalaxia oscura, sino un cúmulo estelar oscuro, las consecuencias afectan a varias áreas. Estas son algunas:
✅ Formación estelar inicial: apoyaría la existencia de una distribución de masas estelares top-heavy en ciertos cúmulos estelares, con más estrellas masivas al nacer, lo que implica más agujeros negros a largo plazo.
✅ Retención de agujeros negros: respaldaría la idea de que muchos agujeros negros se forman con impulsos débiles, lo que les permite permanecer en el cúmulo durante miles de millones de años.
✅ Ondas gravitacionales: los subsistemas de agujeros negros serían viveros de fusiones de agujeros negros, relevantes para las detecciones de las misiones LIGO y Virgo.
✅ Corrientes estelares: la expulsión de estrellas por interacción con el subsistema de agujeros negros podría formar corrientes estelares densas y estrechas en la galaxia.
El gran disfraz cósmico
El estudio de Rostami-Shirazi y colaboradores muestra que un cúmulo globular con las condiciones adecuadas —alta retención de agujeros negros, tamaño moderado y baja metalicidad— puede evolucionar a un subsistema de agujeros negros que imite perfectamente a una galaxia enana oscura. UMa3/U1 sería, así, un superviviente enmascarado: un cúmulo que, tras una larga vida de erosión estelar y batallas gravitatorias, oculta un corazón invisible de agujeros negros.
En palabras de Haghi, «este efecto ha sido interpretado erróneamente como materia oscura. Nuestros resultados indican que, en algunos casos, no es necesario invocar esa explicación».
Y, como resume Kroupa, «con el enfoque adecuado en simulaciones, los supuestos componentes exóticos de la astrofísica pueden desaparecer».▪️
Información facilitada por la Universidad de Bonn
Fuente: Ali Rostami-Shirazi, Hosein Haghi, Akram Hasani Zonoozi, Pavel Kroupa. Dark Star Clusters or Ultra-Faint Dwarf galaxies? Revisiting UMa3/U1. Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/adf320
