Cómo una determinada forma de materia oscura puede conducir a la generación de campos magnéticos cosmológicos

Se sabe que diminutos campos magnéticos altamente uniformes impregnan el universo e influyen en diversos procesos cosmológicos. Sin embargo, hasta la fecha, los mecanismos físicos que sustentan la generación de estos campos siguen siendo poco conocidos. Recientemente, investigadores de la Universidad McGill y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) han descrito un novedoso mecanismo que podría conducir a la generación de campos magnéticos cosmológicos. Este mecanismo, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, implica un campo cuántico (pseudoescalar) que podría dar lugar a la existencia de materia oscura ultraligera, compuesta por partículas con una masa extremadamente baja que interactúan con la materia ordinaria de forma muy débil.

«La evidencia de la presencia de diminutos campos magnéticos muy homogéneos en el universo, que se extienden a escalas intergalácticas, se ha recopilado desde hace bastante tiempo», declararon a Phys.org Robert Brandenberger y Jurg Frohlich, coautores del artículo junto con Hao Jiao. «Durante mucho tiempo, el origen de estos campos ha sido un misterio. Nuestro reciente artículo se basa en ideas descritas en artículos anteriores publicados en 1997, 2000 y 2012». Brandenberger lleva muchos años explorando los llamados fenómenos de resonancia paramétrica. Estos fenómenos, descubiertos originalmente en la mecánica clásica, implican un crecimiento exponencial de campos acoplados a una fuente oscilante.

«Ante el reciente interés en la materia oscura ultraligera que se origina en un campo pseudoescalar, el llamado axión, que oscila coherentemente en el espacio y se acopla al campo electromagnético, es natural esperar que sea la fuente del crecimiento de los campos electromagnéticos», afirmaron Brandenberger y Frohlich.

«Inmediatamente nos dimos cuenta de que existe un canal de resonancia pseudotaquiónica muy eficiente que conduce a la amplificación de los modos de longitud de onda larga del campo electromagnético, lo que dará lugar a diminutos campos magnéticos altamente homogéneos a escalas intergalácticas. No es difícil proporcionar una estimación del orden de magnitud del efecto y argumentar que se pueden generar campos magnéticos que expliquen las observaciones existentes».

Vinculación de la materia oscura axional con los campos magnéticos cosmológicos

En su artículo, Brandenberger, Frohlich y su colega Hao Jiao exploran la relación entre la materia oscura axional y los campos magnéticos cosmológicos. El objetivo principal de su estudio es identificar un mecanismo que explique la generación de campos magnéticos cosmológicos sin basarse en suposiciones altamente hipotéticas sobre la física nueva y poco conocida del universo primitivo.

Los autores consideran los procesos que ocurren en el universo tras la llamada recombinación, un período de aproximadamente 380.000 años tras el Big Bang, cuando el universo se enfrió lo suficiente como para que los electrones y los núcleos se combinaran en átomos neutros. La teoría predice que, tras la recombinación, la luz y la materia dejan de estar estrechamente acopladas, por lo que los campos magnéticos pueden sobrevivir durante mucho tiempo.

Los autores utilizan un término de interacción, bien conocido en axionelectrodinámica, que acopla un campo axional pseudoescalar al campo electromagnético. Posteriormente, demuestran que este término de interacción puede dar lugar al crecimiento de campos magnéticos originados en un campo axional oscilante, que perdura hasta la época actual.

«La evidencia de la existencia de materia oscura, obtenida de diversas sondas astronómicas, es, en nuestra opinión, convincente», explicaron Brandenberger y Frohlich.

«Sin embargo, por el momento, se desconoce de qué está compuesta la materia oscura. En nuestro reciente artículo, asumimos que es ‘ultraligera’, más precisamente, que es generada por un campo axional pseudoescalar con una masa muy pequeña, que, en el momento de la recombinación, ha estado oscilando coherentemente por todo el universo (con pequeñas fluctuaciones superpuestas que causan la formación de estructuras en el universo). Esta es una suposición bastante común».

Se asume que el campo axional se acopla al electromagnetismo a través de un término de interacción bien conocido. Los autores presentan cálculos que muestran que las oscilaciones coherentes del campo axional inducen una inestabilidad pseudotaquiónica en el campo electromagnético, lo que provoca un rápido crecimiento de los campos magnéticos.

Reconsiderando las teorías astrofísicas

Como parte de su estudio, Brandenberger, Frohlich y Hao Jiao comparan sus predicciones teóricas con observaciones astronómicas existentes y propuestas anteriores. Afirman que «antes de nuestro trabajo, se consideraba muy improbable que los campos magnéticos a escala cosmológica (escalas mayores que la de los cúmulos de galaxias) que sobreviven hasta el presente se generaran en épocas tardías».

En este contexto, «tardío» significa: después de la recombinación, el momento en que se generó la radiación cósmica de fondo de microondas. En trabajos anteriores al nuestro, se asumía que se requeriría nueva física aplicable al universo muy temprano (por ejemplo, en una fase temprana de la inflación cósmica). Nuestro mecanismo cuestiona esta suposición.

Si bien los resultados del estudio del equipo parecen muy prometedores, aún es necesario comprender con mayor precisión los aspectos detallados de su mecanismo.

«Por ejemplo, necesitamos estudiar cómo los campos magnéticos generados según nuestro mecanismo retrorreaccionan sobre la materia oscura», afirmaron Brandenberger y Frohlich.

«Es importante determinar qué fracción de la densidad energética inicial de la materia oscura se convierte en densidad energética electromagnética. En nuestro trabajo, nos centramos en la evolución de los campos después de la recombinación, cuando los efectos del plasma (la conductividad del universo) son lo suficientemente pequeños como para ser ignorados.

«Pero la generación de campos magnéticos antes de la recombinación, cuando los efectos del plasma son cruciales, también debería estudiarse con mayor profundidad. Este problema en particular y varios aspectos detallados de nuestra propuesta podrían requerir simulaciones numéricas que podrían ser realizadas por estudiantes de la Universidad McGill y la ETH de Zúrich.»

Una línea de trabajo muy interesante, iniciada por Hao Jiao, se centra en la aplicación del mecanismo propuesto por el equipo para la generación de radiación electromagnética tras la recombinación, a la comprensión de la formación de los agujeros negros supermasivos. Estos son los agujeros negros más grandes existentes, con cientos de miles a miles de millones de masas solares, ubicados en el centro de la mayoría de las galaxias masivas.

«Un gran misterio en cosmología es el origen de la gran cantidad de candidatos a agujero negro que se han observado con altos corrimientos al rojo», añadió Brandenberger. «Para que la materia colapse en una semilla de agujero negro, no se permite su fragmentación».

En un artículo posterior, Brandenberger y Hao Jiao argumentaron que el mecanismo descrito en el artículo del equipo podría proporcionar un flujo suficiente de fotones Lyman-Werner para evitar la fragmentación. Este efecto, que se sabe que depende de la energía que desciende en cascada hacia longitudes de onda más cortas, podría explorarse con más profundidad en estudios futuros.

Con información de Physical Review Letters