Entender el magnetismo cósmico

Entender el Universo es imposible sin entender los campos magnéticos. Estos llenan el espacio interestelar, influyen en la evolución de galaxias y cúmulos de galaxias, contribuyen significativamente a la presión total del gas interestelar, son esenciales en la formación estelar y controlan la densidad y distribución de rayos cósmicos en el medio interestelar (MIS)

A pesar de su importancia, el origen de los campos magnéticos es aún un problema abierto en física fundamental y astrofísica. ¿Existían unos campos magnéticos primordiales antes de las primeras estrellas y galaxias? Si no, ¿cuándo y cómo fueron generados? ¿Qué mantiene, hoy en día, los campos magnéticos de galaxias, estrellas y planetas?

science_key_magnf3_full-300x207

La rotación de Faraday en la galaxia de Andrómeda (M31). Figura: Max-Plack-Institut fuer Radioastronomie (R. Beck, E. M. Berkhuijsen & P. Hoernes).

La rotación de Faraday en la galaxia de Andrómeda (M31) es de signo negativo en la parte noreste (a la izquierda de la imagen) pero es de signo negativo en el lado contrario. Esto prueba que el campo magnético en M31 está rígidamente ordenado y forma un anillo, que apunta en dirección contraria a nosotros por el Noreste y en nuestra dirección por el Suroeste. Esto demuestra que la capacidad de la rotación Faraday de detectar campos y determinar su fuerza y dirección. El SKA podrá aplicar esta técnica a objetos a gran redshift, incluyendo desde millones de galaxias al medio intergaláctico.

La prueba más importante de los campos magnéticos astrofísicos son las ondas de radio.

La radiación sincrotrón mide la intensidad del campo cuando su polarización sigue la orientación del campo en el plano del cielo. También nos da una idea del grado de orden del campo. Por su parte, la rotación de Faraday permite una visión tridimensional al proporcionar información de la componente de campo en la línea de observación, perpenticular al plano del cielo. Por último, el efecto Zeeman proporciona una medida independiente de la intensidad del campo en nubes de gas frías.

Sin embargo, medir los campos magnéticos cósmicos es una tarea difícil, restringida aún a objetos cercanos o brillantes.

Gracias a la resolución y sensibilidad sin igual del SKA, por fin se puede abrir completamente la ventana del Universo magnético. Además de las preguntas abiertas hoy en día, es importante tener en mente que el SKA descubrirá fenómenos magnéticos más allá de lo que se pueda predecir o incluso imaginar.

science_key_magnf2_full-300x201

Proyección de Aitoff de la esfera celeste en coordenadas Galácticas donde se expone una muestra de 1203 medidas de rotación (MRs). Los círculos cerrados representan medidas de rotación positivas, mientras que los abiertos se corresponden con medidas negativas. En ambos casos, el diámetro del círculo es proporcional a la magnitud de su medida de rotación. Las 887 fuentes azules representan medidas de rotación de fuentes extragalácticas, mientras que las 316 fuentes rojas indican medidas de rotación de radiopúlsares. El SKA podrá hacer más de diez millones de medidas de rotación con un espacio de menos de un arcominuto entre fuentes. Imagen cortesía de Jo-Anne Brown.

Para la Vía Láctea y para galaxias y cúmulos cercanos, la alta sensibilidad en el mapeo de radiación sincrotrón polarizada con el SKA, junto con otro tipo de medidas (Medidas de rotación, por ejemplo), permitirá tener mapas tridimensionales de la intensidad, estructura y turbulencia de los campos magnéticos. Estos mapas se podrán comparar con las predicciones hechas por modelos teóricos que describen la generación de campos magnéticos.

A redshift intermedios, la emisión polarizada de las galaxias será a menudo demasiado débil como para detectarla directamente, pero los campos magnéticos de estas fuentes se pueden trazar a partir de la rotación que producen en la radiación proveniente de fuentes polarizadas en un segundo plano.

Esto permitirá hacer estudios detallados de la configuracíon del campo magnético de objetos individuales en épocas tempranas. La comparación con estudios de galaxias locales permitirá entender cómo evolucionan y se amplifican las estructuras magnetizadas según van madurando las galaxias.

Además, desde un punto de vista estadístico, el gran número de medidas de rotación de galaxias intermedias y fuentes que absorben la radiación Lyman Alfa, permitirá hacer un estudio profundo de fuentes en función del redshift.

A redshifts todavía más altos se utilizará la gran sensitividad de los campos más profundos del SKA, en los que se espera detectar emisión sincrotrón de las galaxias más jóvenes y de las protogalaxias. Las medidas de rotación de los objetos polarizados más lejanos (como por ejemplo brotes de rayos gamma, o cuásares más allá de la época de reionización) pueden restringir la intensidad de los campos magnéticos en las épocas más tempranas de la formación galáctica. Así, ayudan a saber qué origen tienen los campos magnéticos actuales. Utilizando la sensitividad única del SKA puede ser factible medir la rotación Faraday frente a la radiación de fondo de microondas, producida por los campos magnéticos primordiales.

Los estudios de magnetismo cósmico del SKA se basarán principalmente en un sondeo de medidas de rotación de todo el cielo, mediante el cual, en un año de tiempo de observación se tomarán medidas de rotación de Faraday (MRs) para fuentes compactas, polarizadas, extragalácticas, aumentando los datos que tenemos en cinco órdenes de magnitud, y los que se tendrían si este mismo estudio se hiciera con el Extended Very Large Array (EVLA) en tres órdenes de magnitud.

Esta base de datos proporcionará una red de MRs de todo el cielo con un espaciado entre fuentes de unos 20-30 arcsec. Muchas de estas fuentes tendrán redshifts del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y sus sucesores.

Esta red de MRs será una importante prueba para estudiar los campos magnéticos a todas las longitudes de onda.

Un problema fundamental continúa siendo la búsqueda de campos magnéticos en el medio intergaláctico (MIG). Todo el espacio vacío puede ser magnetizado, ya sea por flujos expulsados por las galaxias, por radiogalaxias, o como parte de la estructura cósmica. Tales campos aún no han sido detectados, pero su papel como probables semillas para generar galaxias y cúmulos, sumado a la sospecha de que el MIG pueda trazar y regular la formación estructural del Universo temprano hace que sea muy importante descubrirlos.

Todos estos campos magnéticos omnipresentes se podrán identificar a través del sondeo de MR de todo el cielo propuesto en la imagen superior. De la misma manera que la función de correlación de galaxias permite conocer el espectro de potencia de la materia, la función de correlación de esta distribución de MRs proporciona el espectro de potencia magnética del MIG en función de la época cósmica y en un gran rango de escalas espaciales. Tales medidas permitirán desarrollar un modelo detallado de la geometría del campo magnético del MIG y de todo el Universo.

En resumen, el peso absoluto de las estadísticas de las medidas de rotación del SKA, combinado con observaciones polarimétricas profundas de fuentes individuales, permitirá caracterizar la geometría y evolución de los campos magnéticos en galaxias, cúmulos y el MIG de los altos redshifts al presente. Así, se podrá determinar si hay una conexión entre la formación de campos magnéticos y la formación de estructuras en el Universo primigenio, y así proveer de restricciones sólidas sobre cómo y cuando se formaron los primeros campos magnéticos en el Universo.

Más información en el siguiente enlace (en inglés): The origin and evolution of cosmic magnetism B. M. Gaensler, R. Beck, L. Feretti – in Science with the Square Kilometre Array, 2004

Also In this section