Sabemos que los campos magnéticos rodean la Tierra, el Sol y todas las galaxias. Hace veinte años, los astrónomos comenzaron a sondear los campos magnéticos de cúmulos de galaxias enteros, incluidos los espacios entre una galaxia y otra. Líneas invisibles del campo magnético saltan a través del espacio entre galaxias, como los surcos de nuestras huellas dactilares.
El año pasado, los astrónomos finalmente lograron examinar una región dispersa del espacio, la vasta región entre los cúmulos de galaxias. Allí, descubrieron el campo magnético más grande hasta el momento: mil millones de años luz de espacio magnetizado que se extiende a lo largo de toda la longitud de los "filamentos" de la red cósmica. Se descubrió un segundo filamento magnetizado en otras partes del universo utilizando la misma técnica. "Es posible que sólo hayamos visto la punta del iceberg", afirmó Federica Govoni, del Instituto Nacional de Astrofísica de Cagliari.
La pregunta es: ¿De dónde vienen estos enormes campos magnéticos?
"Claramente no tiene nada que ver con la actividad de las galaxias individuales, la actividad de explosiones individuales o los vientos producidos por las supernovas", dijo Franco Vazza, astrofísico de la Universidad de Bolonia. "Así es. más allá", afirma el astrofísico Franco Vazza, que ha realizado simulaciones por ordenador del campo magnético cósmico con la última tecnología.
Una posibilidad es que el magnetismo del universo sea primitivo y se remonte al nacimiento del universo. En ese caso, el magnetismo débil debería estar en todas partes, incluso en los "huecos" de la red cósmica: las regiones más oscuras y vacías del universo. Los campos magnéticos ubicuos sembrarán las semillas de campos magnéticos más fuertes en galaxias y cúmulos de galaxias.
El magnetismo primordial también puede ayudar a resolver otro problema cosmológico llamado la tensión de Hubble, que es probablemente el tema más candente en cosmología.
El problema central de la Tensión de Hubble es que el universo parece estar expandiéndose mucho más rápido de lo esperado según su composición conocida. Los cosmólogos Karsten Jedamzik y Levon Pogosian argumentaron en un artículo publicado en línea en abril que el débil campo magnético en el universo primitivo habría llevado a una expansión más rápida del universo actual.
Kamionkowski y otros dicen que se necesitan más comprobaciones para garantizar que el magnetismo temprano no afecte otros cálculos cosmológicos. Incluso si la idea funcionara sobre el papel, los investigadores necesitarían encontrar pruebas concluyentes del magnetismo primordial para garantizar que fuera parte integral de la configuración del universo.
Mientras tanto, los astrofísicos han estado recopilando datos. La abrumadora cantidad de evidencia ha llevado a la mayoría de la gente a dudar de si los campos magnéticos realmente existen.
En 1600, el científico británico William Gilbert estudió los imanes (rocas naturalmente magnetizadas que la gente había magnetizado para convertirlas en brújulas), lo que le llevó a creer que su magnetismo "imitaba un alma". Supuso correctamente que la Tierra misma era un "imán gigante", con rocas en forma de rombo "mirando hacia los polos de la Tierra".
Cada vez que fluye una carga eléctrica, se genera un campo magnético. Por ejemplo, el campo magnético de la Tierra proviene de su "dinamo" interna, una corriente eléctrica agitada por el hierro fundido en el núcleo de la Tierra. Los campos magnéticos de los imanes de los refrigeradores y del mineral de hierro provienen de electrones que giran alrededor de sus átomos constituyentes.
Sin embargo, una vez que las partículas cargadas en movimiento crean un campo magnético "semilla", pueden volverse más grandes y más fuertes alineando un campo magnético más débil con él. El magnetismo "es un poco como un ser vivo", en el sentido de que los campos magnéticos absorben toda la energía libre que pueden retener y crecer, dijo el astrofísico teórico Thorsten Anslin del Instituto Max Planck de Astrofísica. Su presencia se expande y afecta a otras regiones donde se encuentra. se desarrolla." Ruth Durrer, cosmóloga teórica de la Universidad de Ginebra, explica que, aparte de la gravedad, el magnetismo es la única fuerza. Fuerzas que pueden dar forma a la estructura a gran escala del universo, porque sólo el magnetismo y la gravedad pueden "alcanzarte". desde la distancia. La electricidad, por el contrario, es localizada y de corta duración porque las cargas positivas y negativas en cualquier área neutralizan el conjunto.
Pero no se pueden cancelar los campos magnéticos; tienden a acumularse para sobrevivir.
En el artículo del año pasado, el astrónomo Reinout van Weeren de la Universidad de Leiden y 28 coautores concluyeron que existe un campo magnético en el filamento entre los cúmulos de galaxias 399 Silver Bell y 401 Silver Bell. y otras partículas cargadas que lo atraviesan son redirigidas. A medida que sus trayectorias se tuercen en campos magnéticos, estas partículas cargadas emiten una débil "radiación sincrotrón".
Las señales de sincrotrón son más fuertes en frecuencias de radio bajas, por lo que pueden ser detectadas por LOFAR, un conjunto de 20.000 antenas de radio de baja frecuencia distribuidas por toda Europa.
De hecho, el equipo realizó una exploración de 8 horas en 2014, recopilando datos de filamentos entre galaxias. Sin embargo, los datos han estado esperando ya que la comunidad de radioastronomía pasó varios años estudiando cómo mejorar la calibración de las mediciones LOFAR. La atmósfera de la Tierra refracta las ondas de radio que la atraviesan, por lo que LOFAR mira el universo como si estuviera mirando el fondo de una piscina.
Los investigadores resolvieron este problema rastreando las oscilaciones de las "balizas" en el cielo (transmisores de radio cuyas posiciones se conocen con precisión) y corrigiéndolas para eliminar toda ambigüedad de los datos. Cuando aplicaron el algoritmo de desenfoque a los datos de los objetos filamentosos, inmediatamente vieron el brillo de la emisión de sincrotrón.
El filamento parece estar magnetizado en todo su cuerpo, no sólo cerca del cúmulo de galaxias que se mueven entre sí desde ambos extremos. Los investigadores esperan que el conjunto de datos de 50 horas que ahora están analizando revele más detalles. Otras observaciones recientes también han encontrado un campo magnético que atraviesa el segundo filamento. Los investigadores planean publicar los resultados de este estudio pronto.
La presencia de un enorme campo magnético en al menos estos dos filamentos proporciona nueva información importante. "Estimuló bastante actividad, porque ahora sabemos que los campos magnéticos son relativamente fuertes", dijo Van Veeren.
Si estos campos magnéticos aparecieron en el universo infantil, la pregunta es: ¿Cómo? "La gente ha estado pensando en esto durante mucho tiempo", dice Tanmay Vachaspati, de la Universidad Estatal de Arizona.
Vacchapati propuso en 1991 que los campos magnéticos pueden generarse cuando la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil se hacen evidentes durante la transición de fase electromagnética débil (es decir, el momento después del Big Bang). Otros creen que los protones se vuelven magnéticos segundos después de su formación. O no mucho después: en su teoría original de la magnetización de 1973, el fallecido astrofísico Ted Harrison sugirió que un plasma turbulento de protones y electrones podría hacer girar el primer campo magnético.
Otros creen que el espacio estuvo magnetizado antes, durante la expansión del universo. Se dice que la explosiva expansión del espacio es el comienzo del propio BIGBANG. Esto no sucederá hasta que se produzca un crecimiento estructural mil millones de años después.
La forma de probar la teoría de la magnetización es estudiar los patrones del campo magnético en las zonas más primitivas del espacio galáctico, como partes tranquilas de objetos filamentosos y vacíos más vacíos. Detalles como si las líneas del campo magnético son suaves, espirales o "curvadas en cualquier dirección, como algo parecido a un ovillo de lana", y cómo cambia el patrón en diferentes lugares y en diferentes escalas, contienen una gran cantidad de información que puede compararse. utilizando teoría y simulación. Por ejemplo, si se genera un campo magnético durante una transición de fase débil, como sugiere Vachapati, las líneas del campo magnético resultantes deberían tener forma de espiral, "como un sacacorchos", dijo.
La dificultad es que el campo de fuerza en el vacío es difícil de detectar.
Un método propuesto por primera vez por el científico británico Michael Faraday en 1845 para detectar campos magnéticos girando la dirección de polarización de la luz. La cantidad de rotación de Faraday depende de la fuerza del campo magnético y de la frecuencia de la luz. Por lo tanto, midiendo la polarización a diferentes frecuencias, se puede inferir la intensidad del campo magnético a lo largo de la línea de visión. "Si operas en diferentes lugares, puedes hacer mapas en 3D", dijo Anslin. Los investigadores han comenzado a utilizar LOFAR para medir aproximadamente la rotación de Faraday, pero los telescopios tienen dificultades para captar las señales débiles.
Hace unos años, Govoni, astrónomo del Instituto Nacional de Astrofísica de EE. UU., y su colega Valentina Vacca idearon un algoritmo para predecir los pequeños detalles de Faraday superponiendo mediciones de muchas regiones vacías y rotando la señal para realizar análisis estadísticos. "En principio, esto podría usarse en el vacío cósmico", dijo Vaca. Sin embargo, cuando el gigantesco proyecto internacional de la próxima generación de radiotelescopios (el One Square Kilometer Array) se lance en 2027, la tecnología de Faraday realmente despegará. "SKA debería producir una fantástica red de Faraday", afirmó Enslin.
Hasta ahora, la única evidencia de magnetismo en el vacío es lo que los observadores no pueden ver cuando miran las llamadas variantes brillantes detrás del vacío.
Las variantes brillantes son rayos gamma y otros haces de alta energía, así como haces brillantes de materia impulsados por agujeros negros supermasivos. A medida que los rayos gamma viajan por el espacio, a veces chocan con antiguas microondas y se transforman en electrones y positrones. Luego, estas partículas se descomponen en rayos gamma de baja energía.
Pero Andrii Neronov y Vovk del Observatorio de Ginebra en 2010 creen que si la radiación pasa a través de la cavidad magnetizada, parece haber una falta de rayos gamma de baja energía. Los campos magnéticos desvían electrones y positrones fuera de la línea de visión. Cuando se descomponen en rayos gamma de menor energía, estos rayos gamma no apuntan hacia nosotros.
De hecho, cuando Nironov y Vovk analizaron los datos de la variante Yao desde la ubicación adecuada, vieron sus rayos gamma de alta energía, pero no pudieron ver la señal de rayos gamma de baja energía. Vachapati dijo: "La ausencia de una señal es una señal".
La ausencia de una señal no es una evidencia concluyente y se ha propuesto otra explicación para la desaparición de los rayos gamma. Sin embargo, observaciones posteriores apuntaron cada vez más a la hipótesis de Nironov y Vovk de que los agujeros estaban magnetizados. "Esa es la opinión mayoritaria", dijo Durero. Lo más revelador es que en 2015, un equipo acumuló muchas mediciones de la variante brillante detrás del agujero y logró identificar un tenue halo de rayos gamma de baja energía que rodeaba el agujero. Si se utiliza un campo magnético débil para dispersar las partículas, el efecto es el esperado: el campo magnético es sólo una décima parte del de un imán de refrigerador.
Sorprendentemente, la cantidad exacta del campo magnético original puede ser justo lo que se necesita para resolver la tensión de Hubble, la extraña y rápida expansión del universo.
Esto es lo que Bogosian se dio cuenta cuando vio una reciente simulación por ordenador realizada por Carlsten Jadanzke y sus colaboradores en la Universidad de Montpellier. Los investigadores agregaron un campo magnético débil a un universo joven simulado lleno de plasma y descubrieron que los protones y electrones en el plasma volaban a lo largo de las líneas del campo magnético y se reunían en áreas con la intensidad del campo magnético más débil. Este efecto de agrupamiento permite que los protones y electrones se combinen en hidrógeno antes que antes (una transición de fase temprana llamada recombinación).
Mientras leía el artículo de Jadanzke, Bogosian descubrió que esto podría resolver el problema de tensión del Hubble. Los cosmólogos observan la luz antigua emitida durante el proceso de reorganización para calcular qué tan rápido debería expandirse el espacio hoy. La luz muestra un universo joven, salpicado de manchas. Las manchas se forman por ondas sonoras vibratorias en el plasma original.
Si la recombinación se produce antes de lo esperado debido al efecto de enfoque del campo magnético, es posible que las ondas sonoras no viajen tan lejos y la mancha será más pequeña. Esto significa que los puntos reorganizados que vemos en el cielo deben estar más cerca de nosotros de lo que pensaban los investigadores. La luz procedente de un punto de luz debe recorrer una distancia más corta para llegar a nosotros, lo que significa que la luz siempre debe viajar a través de un espacio que se expande más rápidamente. "Es como intentar correr a través de una superficie en constante expansión; estás cubriendo distancias más cortas", dijo Pogosian.
Por lo tanto, los cúmulos de galaxias más pequeños significan una tasa inferida de expansión del universo más alta, acercando la tasa inferida a las velocidades reales medidas de las supernovas y otros objetos celestes.
“Pensé, vaya”, dijo Bogosian, “esto podría indicarnos la existencia real de [campos magnéticos]. Así que inmediatamente le escribí a Carsten, justo antes del cierre por COVID-19. Los dos se conocieron. en febrero en Montpellier.
Sus cálculos muestran que el magnetismo primordial requerido para resolver el problema de tensión de Hubble también es consistente con las observaciones de la variante Yao, y el tamaño estimado del campo magnético primordial es consistente con la magnitud del campo magnético requerido para hacer crecer campos gigantes a través de cúmulos de galaxias. y filamentos. "Todo esto es muy consistente", dijo Pogosyan. Pero se necesitan más hechos para demostrar que es correcto."