Un caos magnético escondido en la galaxia del Remolino

En lo más profundo de la estructura espiral de las galaxias hay una fuerza escondida: los campos magnéticos. Pese a ser invisibles a los telescopios convencionales, son un factor muy importante en su evolución, regulando la formación de nuevas estrellas y conduciendo el gas intergaláctico hacia su agujero negro supermasivo central.

¿Los campos magnéticos siempre fluyen a lo largo de los brazos espirales? Nuestra vista de frente de la Galaxia Whirlpool (M51) permite una vista espectacularmente clara del patrón de ondas en espiral en una galaxia en forma de disco. Cuando se observa con un radiotelescopio, el campo magnético parece trazar la curvatura de los brazos. Sin embargo, con el observatorio volador del Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA) de la NASA, el campo magnético en el borde exterior del disco de M51 parece tejerse a través de los brazos. Los campos magnéticos son inferidos por granos de polvo que se alinean en una dirección y actúan como lentes polaroid en luz infrarroja. En la imagen presentada, las orientaciones de campo determinadas a partir de esta luz polarizada están conectadas algorítmicamente, creando líneas de corriente. Posiblemente el tirón gravitacional de la galaxia compañera, en la parte superior del marco, sobre el gas polvoriento de las regiones rojizas de formación de estrellas, visible en la imagen del Telescopio Espacial Hubble, aumenta la turbulencia, agitando el polvo y las líneas para producir el campo inesperado. patrón de los brazos exteriores. Créditos de imagen: NASA, SOFIA, HAWC +, Alejandro S. Borlaff; JPL-Caltech, ESA, Hubble; Texto: Jayanne English (U. Manitoba)

Los campos magnéticos pueden alterar el movimiento del gas en las galaxias, afectando la redistribución de las nubes moleculares frías y densas donde nacen nuevas estrellas y causando así la migración radial de las estrellas en el disco galáctico. Sin embargo, para detectar sus efectos es necesario mapear su forma en las nubes moleculares, algo que los métodos tradicionales de radioastronomía no son capaces de hacer con precisión.

Usando el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA), un equipo internacional de científicos liderado por Alejandro S. Borlaff, investigador del Centro de Investigación Ames de la NASA en California, que obtuvo su doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha podido cartografiar e inferir la morfología del campo magnético del gas molecular en la galaxia del Remolino o Messier 51.

Los datos fueron obtenidos con la cámara HAWC+ (High Resolution Airborne Wideband Camera) en SOFIA y comparados con mapas del campo magnético del gas difuso realizados con el radiotelescopio Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) en Socorro, Nuevo México (EE. UU.). Los resultados acaban de publicarse en la revista The Astrophysical Journal.

En la región interna de la galaxia todas las líneas magnéticas muestran una estructura espiral regular, pero en la zona externa, sobre todo cerca de M51b, la galaxia compañera más pequeña de M51, el campo magnético en las nubes moleculares muestra grandes diferencias en orientación con respecto a la estructura más regular obtenida con ondas de radio del campo magnético en el gas difuso.

“El desacoplamiento de los dos campos magnéticos podría estar relacionado con la interacción gravitacional con M51b, pero nos sorprende que no se vea en la región entre brazo y brazo, donde la densidad es mucho menor y se están formando menos estrellas”, explica Alejandro S. Borlaff, autor principal del trabajo.

“Los modelos de estructura y evolución de las galaxias se han basado en la hipótesis de que el gas difuso y el gas molecular comparten una estructura magnética común. El resultado más importante de este trabajo es la prueba de que hay que incorporar en nuevos modelos la fuerza que ejerce el campo magnético en las nubes moleculares”, señala John Beckman, investigador del IAC y coautor del estudio.

SOFIA, el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja, es un avión Boeing 747SP modificado para transportar un telescopio de 106 pulgadas de diámetro. Es un proyecto conjunto de la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán, DLR. El Centro de Investigación Ames de la NASA en el Silicon Valley de California administra el programa SOFIA, las operaciones científicas y misioneras en cooperación con la Asociación de Investigación Espacial de las Universidades con sede en Columbia, Maryland, y el Instituto Alemán SOFIA (DSI) en la Universidad de Stuttgart. El avión se mantiene y opera desde el Edificio 703 del Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA, en Palmdale, California. El instrumento HAWC + fue desarrollado y entregado a la NASA por un equipo de varias instituciones dirigido por el Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, California.

Los brazos espirales parecen ser la clave de la relación entre los campos magnéticos y la formación de las galaxias. Estos brazos están poblados por estrellas masivas, jóvenes y calientes formadas por la presión de ondas de densidad, que recorren la galaxia periódicamente.    Podemos imaginarnos estas ondas espirales de densidad, como las ondas estacionarias en los instrumentos musicales, pero en rotación en torno al disco galáctico.

Estas ondas comprimen el gas interestelar en forma de espiral formando nuevas estrellas y pueden comprimir también el campo magnético. La hipótesis de los investigadores es que la formación estelar puede generar nuevos campos magnéticos turbulentos, que después podrían ser reorganizados en forma de brazos espirales por la compresión de las ondas de densidad y el propio movimiento de rotación de la galaxia. 

Una de las claves de la investigación ha sido la comparación de la forma del campo magnético usando el trazador infrarrojo y el trazador en ondas de radio. Mientras que las observaciones del radiotelescopio Very Large Array son capaces de detectar los campos magnéticos en el medio intergaláctico difuso, menos denso, el observatorio estratosférico SOFIA puede detectar la presencia de campos magnéticos turbulentos dentro de las densas nubes moleculares. Esto permite estudiar la evolución del campo magnético en distintas regiones de la galaxia, explorando cómo esta fuerza invisible interactúa con las diferentes condiciones de presión, gravedad y velocidad a lo largo del disco galáctico.

Los resultados obtenidos con SOFIA de la galaxia del Remolino son similares a los ya registrados del campo magnético en la Vía Láctea, pero nunca antes se habían conseguido en una galaxia externa por la gran dificultad para hacer las medidas. Las observaciones implican que para modelar el fenómeno de formación estelar en las galaxias espirales habrá que tener en cuenta, y cuantificar, sus campos magnéticos, así como la forma de su campo gravitacional.

Artículo: Alejandro S. Borlaff et al. “Extragalactic Magnetism with SOFIA (Legacy Program) -- I: The magnetic field in the multi-phase interstellar medium of M51”. The Astrophysical Journal, 9 de noviembre de 2021. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac16d7 Arxiv: https://arxiv.org/abs/2105.09315

La imagen “El campo magnético de la galaxia del Remolino” fue APOD el 20 de enero de 2021: https://apod.nasa.gov/apod/ap210120.html

Contacto en el IAC:

- John Beckman: jeb@iac.es

• Publicado en el IAC el 9 de noviembre del 2021, enlace publicación.