Cúmulos de galaxias impactados: Desentrañando los misterios de las reliquias de radio

Los cúmulos de galaxias son las estructuras gravitacionalmente ligadas más grandes del universo, y cada uno contiene cientos o incluso miles de galaxias. Cuando dos de estos gigantes colisionan, generan potentes ondas de choque que se propagan entre sí, liberando energía a una escala no vista desde el Big Bang.

Las ondas de choque barren los electrones, energizándolos y provocando que emitan ondas de radio al girar en espiral alrededor de las líneas del campo magnético. El resultado es una «reliquia de radio»: un vasto arco de emisión de radio que puede extenderse a lo largo de más de 6 millones de años luz, o aproximadamente el tamaño de 60 a 70 galaxias de la Vía Láctea alineadas extremo con extremo.

En los últimos años, sin embargo, los enigmas en torno a las reliquias de radio se han ido acumulando. En primer lugar, cuando los observadores miden la intensidad del campo magnético en una reliquia, encuentran un valor inexplicablemente alto. De igual manera, la intensidad de la onda de choque subyacente parece variar dependiendo de si se observa utilizando longitudes de onda de radio o de rayos X.

Finalmente, y quizás lo más preocupante, los datos de rayos X implican que muchas de las ondas de choque que alimentan las reliquias de radio son demasiado débiles para energizar adecuadamente los electrones. Esto contradice la existencia misma de dichas reliquias.

Sin embargo, los investigadores del AIP han logrado resolver estos problemas mediante un innovador enfoque multiescalar. «La clave de nuestro éxito fue abordar el problema utilizando un rango de escalas», explica el Dr. Joseph Whittingham, investigador postdoctoral del AIP y autor principal del estudio publicado en el servidor de preimpresión arXiv.

«Primero, analizamos cómo se forman las ondas de choque en simulaciones cosmológicas, antes de replicar lo observado en una configuración más idealizada, con una resolución significativamente mayor». En el último paso, los autores mapearon la evolución de los electrones energizados y la emisión de radio resultante a partir de principios fundamentales. De este modo, su modelo conecta la física del tamaño de los cúmulos de galaxias con procesos que ocurren en escalas tan pequeñas como la órbita de un electrón: escalas separadas por un billón de veces.

Los investigadores descubrieron que, cuando las ondas de choque alcanzan el borde de un cúmulo de galaxias, colisionan con otras ondas de choque producidas por gas frío que cae hacia el interior. Este proceso comprime el material circundante, formando una densa capa de gas que se desplaza hacia afuera, donde choca con otros cúmulos de gas. «Todo este mecanismo genera turbulencia, que retuerce y comprime el campo magnético hasta alcanzar las intensidades observadas, resolviendo así el primer enigma», explica el coautor, el profesor Christoph Pfrommer.

Además, cuando la onda de choque atraviesa los cúmulos de gas, una parte del frente de choque se intensifica, aumentando la emisión de radio. En cambio, la emisión de rayos X sigue reflejando la intensidad promedio, generalmente menor, del choque, lo que explica por qué los datos de ambos tipos de radiación suelen discrepar, resolviendo así el segundo enigma.

Finalmente, dado que la inmensa mayoría de una señal de radio residual se forma únicamente por las partes más intensas del frente de choque, los valores promedio más bajos inferidos a partir de los datos de rayos X no representan un problema para la teoría de la energización de electrones en las ondas de choque. «Este éxito nos motiva a seguir profundizando en nuestro estudio para resolver los misterios que aún quedan sin resolver en torno a las reliquias de la radio», afirma Whittingham.

Con información de arXiv