Magnetismo cósmico

El magnetismo ha sido fundamental para los viajes y para explorar nuestro planeta, puesto que el campo magnético de la Tierra guía los pájaros, las abejas y orienta las agujas.

Además, el efecto del campo magnético de la Tierra sobre las partículas cargadas que provienen del Sol nos ha protegido de sus efectos dañinos al mismo tiempo que produce las bellas auroras boreales y australes, iluminando el cielo de los polos.

Una imagen de la corona solar tomada en Noviembre de 1999 por el satélite Transition Region and Coronal Explorer (TRACE). Los lazos gigantes de gas que se ven sobre la superficie solar delimitan las líneas creadas por los campos magnéticos invisibles. TRACE es una misión del Stanford-Lockheed Institute for Space Research, y forma parte del programa de la NASA Small Explorer.

A lo largo de varias décadas de investigación en astrofísica se ha llegado a la conclusión de que el magnetismo es omnipresente en nuestro Universo, con presencia de campos magnéticos en el gas interestelar, planetas, estrellas y galaxias. Generar campos magnéticos en objetos de escalas físicas tan diversas no se puede conseguir a partir de imanes permanentes como los que se encuentran en la Tierra, sino que se necesitan grandes densidades, volúmenes o movimientos de material cargado eléctricamente, tales como el gas que impregna la Vía Láctea o los chorros de material provenientes de los centros de las galaxias.

El reto y las oportunidades que ofrece el magnetismo

El magnetismo cósmico abarca un enorme rango de condiciones físicas, desde los débiles campos magnéticos en el espacio interestelar al magnetismo extremo que se encuentra en la superficie de estrellas colapsadas. Entre unos y otros, la fuerza del campo magnético varía en un factor de cientos de miles de millones. Puesto que los campos magnéticos cósmicos lo impregnan todo, juegan un papel vital controlando cómo se forman, crecen y evolucionan las fuentes celestes.

El reto de estudiar el magnetismo cósmico consiste en que mientras que las estrellas y las galaxias pueden observarse directamente por la luz que emiten, los campos magnéticos son invisibles, incluso para los mayores telescopios ópticos. Para detectarlos hace falta observar radiación polarizada, es decir, radiación que muestra los efectos de los campos magnéticos.

Un ejemplo de esto es la emisión sincrotrón, producida cuando los electrones que se mueven a muy alta velocidad (muchas veces a velocidades cercanas a la de la luz), son atrapados en campos magnéticos, de manera similar a la que la gravedad solar atrapa los planetas. Si se observa un cuerpo pesado emitiendo emisión sincrotrón se sabe que este objeto debe estar magnetizado, y se pueden utilizar sus propiedades para determinar cómo de fuerte es el campo magnético y qué dirección señalaría una brújula si estuviera cerca de dicho objeto.

Sin embargo, no todos los cuerpos son lo suficientemente energéticos como para producir emisión sincrotrón y en estos casos se utilizan otros mecanismos. La emisión espectralmente estrecha de átomos y moléculas se puede dividir en dos o más líneas de emisión debido a un campo magnético lo suficientemente intenso. Este efecto, conocido como “efecto Zeeman” (debido al físico danés Pieter Zeeman), proporciona una medida directa del entorno magnético de los átomos y moléculas.

Cuando la radioemisión polarizada de una galaxia en segundo plano atraviesa una galaxia, o un gas magnético situados en primer plano, la emisión se ve afectada por la rotación Faraday. Este efecto se puede determinar con un ratiotelescopio, y se puede usar para medir la fortaleza de los campos magnéticos cósmicos. Reimpreso con el permiso de “Intergalactic Magnetic Fields”, de Philipp P. Kronberg, Physics Today, Diciembre de 2002, p. 40. Copyright 2002, American Institute of Physics.

Otro mecanismo que hay que destacar es cuando la radiación polarizada de un objeto lejano atraviesa el campo magnético de un cuerpo intermedio y se ve alterado. Este efecto, conocido como “rotación Faraday” en honor al científico británico Michael Faraday, proporciona una medida del entorno magnético del cuerpo intermedio (más específicamente, el plano de polarización se gira un ángulo proporcional a la fuerza del campo magnético y la densidad del medio)

Lo complicado con estas técnicas es que para entender correctamente los campos magnéticos observados utilizando la rotación Faraday se necesitan cientos, o incluso miles de medidas de muchas galaxias o púlsares que se sitúen justo detrás del gas magnetizado que se pretenda estudiar. Es como si se pretendiera estudiar todo el agua de un lago metiendo un dedo en él: ¡no es suficiente!

Como el SKA será mucho más sensible que los telescopios actuales se puede utilizar para estudiar los campos magnéticos en el espacio. Si se apunta el SKA a cualquier parte del cielo, se detectará radioemisión de miles de galaxias débiles, lejanas y dispersas, como granos de arena repartidos por el cielo. Estas galaxias estarán distribuídas tan cerca unas de otras que se puede utilizar la rotación Faraday de su radioemisión polarizada para hacer estudios de magnetismo de todo tipo de objetos que intercepten su radiación.

Incluso si se quiere estudiar una nube de gas relativamente pequeña, habrá cientos de galaxias cuya radiación la atraviese, lo que permitirá construir una imagen detallada del magnetismo de la nube.

Las ‘serpientes’ son regiones de gas donde la densidad y los campos magnéticos están cambiando rápidamente debido a la turbulencia. [Nota técnica: la imagen muestra el gradiente de polarización lineal en una región de 18 grados cuadrados en el plano sur galáctico]. Crédito de la imagen – Image credit – B. Gaensler et al. Datos: CSIRO/ATCA

A partir de los mecanismos de rotación Faraday, efecto Zeeman y la medida directa de los efectos de los campos magnéticos y las propiedades polarizadas de la radiación, se podrán responder muchas preguntas sin respuesta: ¿Cuál es la forma y la fuerza del campo magnético de la Vía Láctea? ¿Es comparable al de otras galaxias? ¿El Universo está magnetizado per se? ¿Qué papel ha jugado el magnetismo en la formación de estrellas y galaxias? ¿Dónde y cómo se originan los campos magnéticos?

Las capacidades fascinantes y únicas del SKA podrán ser increíblemente útiles para responder a estas preguntas. Se sabe que estamos rodeados de magnetismo, pero el SKA revolucionará nuestra visión de este magnetismo, de dónde viene y qué papel ha jugado en la evolución del Universo.

Hecho interesante

• Sobre la Tierra, el campo magnético nos protege de las partículas dañinas del Sol, conocidas como viento solar, que forman las auroras que se observan en los polos Norte y Sur. Estas auroras también se han observado en planetas gigantes gaseosos como Neptuno, evidenciando la gran influencia que tiene el viento solar.