Colisiones de galaxias: Revelan secretos de los relictos de radio

Las galaxias son las estructuras más grandes del universo que están unidas por gravedad, y cada una alberga cientos o incluso miles de estrellas. Cuando dos de estos gigantes colisionan, generan poderosas ondas de choque que liberan energía a una escala no vista desde el Big Bang.

Estas ondas de choque atraviesan electrones, energizándolos y provocando que emitan ondas de radio mientras giran alrededor de líneas de campo magnético. El resultado es un "relicto de radio": un vasto arco de emisión de radio que puede extenderse más de 6 millones de años luz, aproximadamente 60 a 70 galaxias de la Vía Láctea alineadas de extremo a extremo.

Sin embargo, en los últimos años, han surgido varios enigmas en torno a los relictos de radio. Primero, cuando los observadores miden la intensidad del campo magnético en un relicto, encuentran que el valor es inexplicablemente alto. Curiosamente, la intensidad de la onda de choque subyacente parece cambiar dependiendo de si se observa utilizando longitudes de onda de radio o rayos X.

Finalmente, y quizás lo más preocupante, los datos de rayos X implican que muchas de las ondas de choque que alimentan los relictos de radio son en realidad demasiado débiles para energizar adecuadamente a los electrones. Esto pone en contradicción los resultados con la propia existencia de los relictos de radio.

Sin embargo, investigadores del AIP lograron resolver estos problemas utilizando un enfoque innovador de múltiples escalas. "La clave de nuestro éxito fue abordar el problema utilizando una variedad de escalas", explicó el Dr. Joseph Whittingham, investigador postdoctoral en el AIP y autor principal del estudio publicado en el servidor de preprints arXiv.

"Primero rastreamos cómo se forman las ondas de choque en simulaciones cosmológicas, antes de replicar lo que vimos en un entorno más idealizado, con una resolución significativamente mejor." En su paso final, los autores mapearon la evolución de los electrones energizados y la emisión de radio resultante desde los primeros principios. Así, su modelado conecta la física a la escala de galaxias con procesos que ocurren en escalas tan pequeñas como la órbita de un electrón, escalas un billón de veces más separadas.

Los investigadores encontraron que cuando las ondas de choque alcanzan el borde de un cúmulo de galaxias, colisionan con otros choques producidos por gas frío que cae. Este proceso comprime el material circundante, formando una densa capa de gas que se mueve hacia afuera, donde se encuentra con más grupos de gas. "Todo el mecanismo genera turbulencia, retorciendo y comprimiendo el campo magnético hasta las intensidades observadas, resolviendo así el primer enigma", informó el coautor Prof. Christoph Pfrommer.

Además, cuando la onda de choque pasa a través de grupos de gas, una parte del frente de choque se vuelve más fuerte, aumentando la emisión de radio. Por el contrario, la emisión de rayos X continúa reflejando la intensidad promedio, generalmente más débil, de la onda de choque, explicando así por qué los datos de los dos tipos de radiación suelen estar en desacuerdo entre sí, resolviendo así el segundo enigma.

Finalmente, dado que la abrumadora mayoría de un relicto de radio se forma solo por las partes más fuertes del frente de choque, los valores promedio más bajos inferidos de los datos de rayos X no son un problema para la teoría de la energización de electrones en choques. "Este éxito nos motiva a construir sobre nuestro estudio para responder los misterios restantes no resueltos que rodean a los relictos de radio", concluyó Whittingham.