Campos magnéticos en las galaxias espiales

9 de abril de 2010

Desde hace más de medio siglo se sabe que las galaxias espirales poseen campos magnéticos. Hoy en día se ha conseguido incluso recrear un mapa de los campos magnéticos de algunas de ellas. Pero aún hay preguntas sin resolver. ¿Cómo han llegado estos campos magnéticos a poseer las características que observamos? ¿Y cómo perduran en el tiempo?
Un trabajo reciente de Stas Shabala, James Mead, y Alexander Paul,astrónomos del Reino Unido, puede contener las respuestas a estas preguntas. Según estos científicos son cuatro los procesos físicos que juegan un papel clave: la atracción del gas frío en el disco, la retroalimentación de supernova (estos dos sucesos provocan el aumento de la turbulencia magnetohidrodinámica), la formación de estrellas (lo que elimina el gas y la energía, y por lo tanto la turbulenta del gas frío), y la rotación galáctica diferencial (esto genera una continua transferencia de energía desde un campo incoherente y desordenado a un campo ordenado). Sin embargo, es necesario al menos un modelo clave, porque los modelos de los astrónomos son incompatibles con los campos que se observan en las galaxias espirales masivas.
La emisión de radio de sincrotrón de los electrones de alta energía en el medio interestelar (ISM) indica la presencia de campos magnéticos en las galaxias. Mediciones de rotación (RM) de las fuentes polarizadas del fondo indican la existencia de dos variedades de campo: un campo al azar, que no es coherente a escalas mayores que la turbulencia del medio interestelar (ISM), y un campo espiral ordenado que muestra coherencia a gran escala.
Para una galaxia típica, estos campos tienen una fuerza de unos pocos μG. En una galaxia como M51, se observa que el campo magnético coherente se asocia con los brazos espirales ópticos. Estos campos son importantes en la formación de las estrellas y la física de rayos cósmicos, y también podrían tener un efecto en la evolución de la galaxia, pero, a pesar de su importancia, las preguntas sobre su origen, evolución y estructura siguen en gran medida sin resolverse.
Este campo de la astrofísica está progresando rápidamente, en la última década se ha llegado a establecer razonablemente una comprensión de cómo se genera el campo aleatorio (es generado por la turbulencia en el ISM, modelada como un fluido magnetohidrodinámico (MHD) de una sola fase, dentro del cual se congelan las líneas del campo magnético). Por otra parte, se ha conocido desde hace mucho más tiempo la producción de un campo a gran escala por la torsión de los campos azarosos en una espiral, a causa de la rotación diferencial (un dínamo).
Los detalles de cómo se formó el campo ordenado en espiral cuando se formaron las galaxias —en unos pocos cientos de millones de años luego de la disociación de la materia bariónica y la radiación (que dio origen al fondo cósmico de microondas que vemos hoy en día)— son cada vez más evidentes, aunque aún no es posible comprobar estas hipótesis por observación (muy pocas galaxias con alto corrimiento al rojo se han sido estudiadas en la franja óptica y del infrarrojo cercano, y mucho menos se les han mapeado los campos magnéticos en detalle).
Shabala, Mead y Alexander comienzan con un modelo analítico de la formación y evolución de las galaxias, que “traza el enfriamiento del gas, la formación de estrellas y diversos procesos de realimentación en un contexto cosmológico. El modelo reproduce de forma simultánea las propiedades de las galaxias locales, la historia de la formación de estrellas en el Universo, la evolución de la función de masa estelar a z ~ 1,5, y la formación primitiva de galaxias masivas. Este modelo relaciona la energía cinética turbulenta del ISM y la energía del campo magnético azaroso: las dos se igualan a escalas de tiempo que son instantáneas a una escala de tiempo cosmológica.
Los que manejan esto son, por lo tanto, los procesos físicos que inyectan energía en el ISM, y los que eliminan la energía de él.
"Una de las fuentes más importantes de inyección de energía en el ISM son las supernovas", escriben los autores. "La formación de estrellas elimina la energía turbulenta", como era de esperar, y el gas "que se acreta desde los depósitos del halo de materia oscura deja su energía potencial en forma de turbulencia". En su modelo sólo hay cuatro parámetros libres: tres describen la eficacia de los procesos que añaden o eliminan las turbulencias del ISM, y uno describe la rapidez surgen los campos magnéticos ordenados de los aleatorios.
Shabala, Mead y Alexander están entusiasmados con sus resultados: "Se utilizan dos muestras locales para probar los modelos. El modelo reproduce bien los puntos fuertes del campo magnético y su luminosidad de radio en una amplia gama de galaxias de masa intermedia y baja".

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