El desconcertante vínculo entre la formación estelar y la emisión de radio en las galaxias


En el 50 aniversario del descubrimiento de una estrecha conexión entre la formación de estrellas en las galaxias y su radiación infrarroja y de radio, los investigadores del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) han descifrado la física subyacente. Para ello, utilizaron novedosas simulaciones por ordenador de formación de galaxias con un modelo completo de rayos cósmicos.

Simulación de una galaxia de disco en formación, en la que los rayos cósmicos son acelerados por remanentes de supernova y luego escapan al medio interestelar. Las secciones transversales del disco (arriba) y las secciones verticales (abajo) muestran la densidad numérica de los electrones de rayos cósmicos en estado estacionario (izquierda), la intensidad del campo magnético (centro) y el brillo del radiosincrotrón. Crédito: Werhahn/AIP

Para comprender la formación y evolución de galaxias como nuestra Vía Láctea, es de particular importancia conocer la cantidad de estrellas recién formadas tanto en las galaxias cercanas como en las lejanas. Para ello, los astrónomos suelen utilizar un vínculo entre la radiación infrarroja y la radioeléctrica de las galaxias, que ya se descubrió hace 50 años: la radiación energética de estrellas jóvenes y masivas que se forman en las regiones más densas de las galaxias es absorbida por las nubes de polvo circundantes y reemitida como radiación infrarroja de baja energía. Eventualmente, cuando se agota su suministro de combustible, estas estrellas masivas explotan como supernovas al final de sus vidas. En esta explosión, la envoltura estelar exterior es expulsada al medio ambiente, lo que acelera unas pocas partículas del medio interestelar a muy altas energías, dando lugar a los llamados rayos cósmicos. En el campo magnético de la galaxia, estas partículas rápidas, que viajan casi a la velocidad de la luz, emiten radiación de radio de muy baja energía con una longitud de onda de unos pocos centímetros a metros. A través de esta cadena de procesos, las estrellas en formación, la radiación infrarroja y la radiación de radio de las galaxias están estrechamente vinculadas.

Aunque esta relación se usa a menudo en astronomía, las condiciones físicas exactas aún no están claras. Los intentos anteriores de explicarlo generalmente fallaron en una predicción: si los rayos cósmicos de alta energía son los responsables de la radiación de radio de estas galaxias, la teoría predice espectros de radio muy pronunciados (alta emisión en frecuencias de radio bajas) que no coinciden con las observaciones. Para llegar al fondo de este misterio, un equipo de investigadores de AIP ahora, por primera vez, simuló de manera realista estos procesos de una galaxia en formación en una computadora y calculó los espectros de energía de los rayos cósmicos. Sus resultados se publican en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Durante la formación del disco galáctico, los campos magnéticos cósmicos se amplifican para que coincidan con los fuertes campos magnéticos galácticos observados», explica el profesor Christoph Pfrommer, jefe de la sección de Cosmología y Astrofísica de Alta Energía en AIP. Cuando las partículas de rayos cósmicos en los campos magnéticos emiten radiación de radio, pierden parte de su energía en su camino hacia nosotros. Como resultado, el espectro de radio se vuelve más plano a bajas frecuencias. A altas frecuencias, además de la emisión de radio de los rayos cósmicos, también contribuye la emisión de radio del medio interestelar, que tiene un espectro más plano. La suma de estos dos procesos puede, por lo tanto, explicar perfectamente la radiación de radio plana observada en toda la galaxia, así como la emisión de las regiones centrales.

Esto también explica el misterio de por qué la radiación infrarroja y de radio de las galaxias están tan bien vinculadas. «Esto nos permite determinar mejor la cantidad de estrellas recién formadas a partir de la emisión de radio observada en las galaxias, lo que nos ayudará a desentrañar aún más la historia de la formación estelar en el universo», concluye Maria Werhahn, Ph.D. estudiante de la AIP y primer autor de uno de los estudios.

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