En las escalas más grandes del universo, los cúmulos de galaxias chocan en cataclismos en cámara lenta, dejando tras de sí inmensos y fantasmales arcos: vastas cintas de emisiones de radio difusas que pueden extenderse a lo largo de millones de años luz. Forjadas por ondas de choque gigantescas que aceleran los electrones a una velocidad cercana a la de la luz, estas extrañas estructuras se conocen como “reliquias de radio”.
Los astrónomos han catalogado docenas de ellos, pero su comportamiento sigue siendo notablemente difícil de explicar.
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Ahora, un nuevo estudio dirigido por investigadores del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) en Alemania puede haber resuelto finalmente esos misterios.
Utilizando simulaciones de alta resolución, el equipo rastreó la formación y evolución de reliquias de radio y reprodujo con éxito los comportamientos desconcertantes observados en observaciones reales. Sus hallazgos ofrecen la imagen más clara hasta el momento de cómo se forman estas enigmáticas estructuras y por qué tienen el aspecto que tienen.
“La clave de nuestro éxito fue abordar el problema utilizando una variedad de escalas”, dijo en un comunicado el autor principal del estudio, Joseph Whittingham, investigador postdoctoral en el AIP.
Para comprender cómo se forman y evolucionan las reliquias de radio, Whittingham y sus colegas escriben en su artículo que utilizaron un gran conjunto de simulaciones cosmológicas que modelan cómo los cúmulos de galaxias crecen y colisionan a lo largo de miles de millones de años. Desde esta suite, el equipo examinó una fusión particularmente energética y formadora de reliquias entre dos cúmulos de galaxias, donde uno era aproximadamente 2,5 veces más pesado que el otro. Cuando los dos cúmulos masivos simulados se fusionaron, lanzaron enormes ondas de choque en forma de arco que abarcaron casi 7 millones de años luz.
Luego, utilizando esos resultados como guía, el equipo construyó simulaciones de “tubo de choque” de resolución mucho más alta que permitieron a los investigadores aislar y rastrear la física a escala fina de una sola onda de choque que interactúa con las afueras grumosas y turbulentas de los cúmulos de galaxias. A partir de ahí, modelaron a partir de los primeros principios cómo se aceleran los electrones en el frente de choque y cómo se vería la emisión de radio resultante ante los telescopios.
Este enfoque multiescala, escribió el equipo en el nuevo estudio, les permitió resolver “física que, hasta ahora, está fuera del alcance de las simulaciones cosmológicas de la generación actual”.
Las simulaciones revelaron que, cuando una onda de choque se mueve hacia afuera a través de un cúmulo de galaxias, eventualmente choca con otras sacudidas creadas por el gas frío que cae desde la red cósmica. Esta interacción comprime el plasma en una lámina densa, que luego choca contra grupos de gas más pequeños, lo que da como resultado una vorágine cósmica que amplifica la intensidad del campo magnético mucho más allá de lo que podría lograr un solo choque, igualando los valores inesperadamente fuertes observados en las observaciones.
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“Todo el mecanismo genera turbulencias, girando y comprimiendo el campo magnético hasta las intensidades observadas, resolviendo así el primer enigma”, dijo en el mismo comunicado el coautor del estudio, Christoph Pfrommer, del AIP.
El nuevo trabajo también aclara que cuando un choque atraviesa densas acumulaciones de gas, ciertas regiones del frente de choque se realzan considerablemente y aceleran los electrones de manera más eficiente, señala el estudio. Estos parches brillantes y compactos dominan la señal de radio, pero los telescopios de rayos X miden la fuerza promedio del choque, incluidas sus regiones más débiles, y eso explica las discrepancias que los astrónomos han notado desde hace mucho tiempo, dicen los investigadores.
Finalmente, las simulaciones muestran que sólo las partes localizadas más fuertes del frente de choque en realidad producen la mayor parte de la emisión de radio, por lo que las bajas intensidades promedio inferidas de los rayos X no representan una amenaza para la física subyacente después de todo.
En conjunto, las simulaciones a múltiples escalas del equipo reproducen la combinación de características magnéticas, de radio y de rayos X que los astrónomos ven en reliquias reales, resolviendo varios enigmas de larga data, dicen los investigadores.
“Este éxito nos motiva a continuar nuestro estudio para responder a los misterios aún sin resolver que rodean a las reliquias de radio”, dijo Whittingham en el comunicado.
Los resultados del equipo se describen en un artículo aceptado en la revista Astronomy & Astrophysics y publicado en el repositorio de artículos preimpresos arXiv el 18 de noviembre.