Una teoría para explicar de dónde surgieron los campos magnéticos

Los científicos se han preguntado de donde había venido la magnetización observada del medio interestelar, dado que el gas completamente ionizado de los inicios del universo no contenía partículas magnéticas. Según una nueva investigación realizada por un astrofísico en Alemania, la respuesta está en las fluctuaciones magnéticas dentro de este plasma. A pesar de que estas fluctuaciones inicialmente suman cero, se calcula, habrían dejado un excedente positivo del campo una vez comprimido por fenómenos energéticos tales como explosiones de supernovas.

El magnetismo permanente es una propiedad de sólo unos pocos materiales, como el hierro, en el que los espines de los electrones individuales se alinean de modo natural en la misma dirección y crean un campo magnético residual. En el universo temprano, antes de que los materiales magnéticos de hierro y otros habían sido creados dentro de las estrellas, el magnetismo permanente no existía. Sin embargo, el medio proto-interestelar, un plasma formado por un núcleo con poca luz junto con protones y electrones libres y que se formó cuando el universo tenía menos de mil millones de años de edad, tenía un campo magnético distinto de cero.

Los astrofísicos creen que el colapso explosivo de estrellas masivas conocidas como supernovas o los flujos de partículas cargadas que se refieren a los vientos galácticos podrían haber proporcionado la energía necesaria para comprimir esta pequeña y desordenada “semilla”, de modo que se convirtió en unidireccional y fuerte como los campos observados en el medio interestelar – es decir, que tiene una densidad de energía aproximadamente igual a la causada por la presión térmica del medio. La pregunta es: ¿de dónde vinieron estos campos?

Para responder a esta pregunta, Reinhard Schlickeiser de la Universidad del Ruhr en Bochum ha considerado el plasma interestelar poco después de que llegara a existir -una era conocida como “re-ionización” cuando algo, probablemente la luz de las primeras estrellas, proporcnionó la energía necesaria para romper el gas previamente neutral que existía en el universo. Los protones y electrones dentro del plasma se habrían movido alrededor continuamente, simplemente en virtud de su existencia a una temperatura finita. Y, al igual que todas las partículas cargadas en movimiento al azar, habrían creado los campos magnéticos -que se habrían cancelado unos a otros. Sin embargo, fue la variación finita de las fluctuaciones de los campos magnéticos resultantes, dice Schlickeiser, lo que posteriormente dio lugar a la creación de un magnetismo permanente en el universo.

Para calcular la variación de intensidad de campo de las fluctuaciones, Schlickeiser ha utilizado una teoría que desarrolló en 2012 con Peter Yoon, de la Universidad de Maryland. Las fluctuaciones son “aperiódicas”, lo que significa que, a diferencia de las variaciones en los campos magnéticos y eléctricos que dan lugar a la radiación electromagnética, no se propagan como una onda. En efecto, su longitud de onda -la distancia espacial sobre el cual las fluctuaciones ocurren- y su frecuencia -lo que dicta el tiempo que estas fluctuaciones se realizan- no están correlacionadas, en contraste con la luz, cuyos valores de longitud de onda y frecuencia están ligados el uno al otro a través de la velocidad de la onda.

Schlickeiser sumó todas las longitudes de onda y frecuencias posibles para las fluctuaciones magnéticas en un gas a 10.000 K, lo que habría sido aproximadamente la temperatura del medio proto-interestelar en el momento de la reionización. El cálculo revela la intensidad de campo en unos 10 ^-12  G en el interior del estadio muy temprano y de las galaxias alrededor y de 10 ^-21  G en el vacío que rodeaba las galaxias. Estos valores se comparan con el G aproximadamente 0,5 del campo magnético de la Tierra y el G 100 típico de un imán de nevera.

Schlickeiser señala que no es la primera persona que presente un mecanismo similar a semillas para el campo magnético interestelar. De hecho, ya en 1950 el astrónomo alemán Ludwig Biermann propuso que la fuerza centrífuga generada en una nube en rotación de plasma separará los protones más pesados ​​de los más ligeros electrones, creando así una separación de  carga que habría conducido a pequeños campos eléctricos y magnéticos. Según Schlickeiser, sin embargo, este esquema sufre de una falta de rotación de objetos adecuados, lo que significa que sólo podía generar campos magnéticos en una pequeña porción del medio interestelar.

El siguiente paso es encontrar evidencias observacionales para respaldar su idea. Una opción, dice, sería buscar en el fondo de microondas cósmico, la muy débil radiación de onda larga que llena el universo y que fue emitida unos 400.000 años después del Big Bang, cuando los electrones y protones se habrían enfriado hasta el punto de que podrían combinarse a través de la atracción mutua y dejar fotones que se propagaran libremente por el espacio. La idea sería medir las variaciones en la polarización de esta radiación, que podría hacerse utilizando datos de satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, dado que los campos magnéticos giran el plano de polarización de las ondas electromagnéticas. “No está claro por el momento si estas fluctuaciones tendrían efectos mensurables sobre la radiación de fondo”, dice. ”Pero creo que vale la pena descubrirlo.”

Massimo Stiavelli del Space Telescope Science Institute en Maryland se muestra positivo sobre el último trabajo, con el argumento de que “el mecanismo descrito  podría realmente proporcionar las semillas a los campos magnéticos primordiales”. Y sugiere una línea alternativa para probarlo anterior a la re-ionización, en la que las fluctuaciones magnéticas habrían tendido a romper la segunda generación de estrellas que se formaron en el Universo. “Encontrar en un lugar del universo local una pequeña estrella de masa con un campo magnético y la composición química primordial sería una evidencia de que un mecanismo como el descrito estaba en juego”, dice.

La investigación se publica en Physical Review Letters

Autor: Edwin Cartlidge

Enlace original: Physicist homes in on universe`s earliest magnetic fields