Cuando miramos al espacio, todos los objetos astrofísicos que vemos están incrustados en campos magnéticos. Esto es cierto no solo en la vecindad de estrellas y planetas, sino también en el espacio profundo entre galaxias y cúmulos galácticos. Estos campos son débiles, generalmente mucho más débiles que los de un imán de refrigerador, pero son dinámicamente significativos en el sentido de que tienen efectos profundos en la dinámica del universo. A pesar de décadas de intenso interés e investigación, el origen de estos campos magnéticos cósmicos sigue siendo uno de los misterios más profundos de la cosmología.

En investigaciones anteriores, los científicos llegaron a comprender cómo la turbulencia, el movimiento de agitación común a los fluidos de todo tipo, podría amplificar los campos magnéticos preexistentes a través del llamado proceso de dínamo. Pero este notable descubrimiento empujó el misterio un paso más profundo. Si una dínamo turbulenta solo podía amplificar un campo existente, ¿de dónde vino el campo magnético "semilla" en primer lugar?

No tendríamos una respuesta completa y coherente sobre el origen de los campos magnéticos astrofísicos hasta que comprendiéramos cómo surgieron los campos de semillas. Un nuevo trabajo realizado por la estudiante de posgrado del MIT Muni Zhou, su asesor Nuno Loureiro, profesor de ciencia e ingeniería nuclear en el MIT, y colegas de la Universidad de Princeton y la Universidad de Colorado en Boulder proporciona una respuesta que muestra los procesos básicos que generan un campo. desde un estado completamente desmagnetizado hasta el punto en que es lo suficientemente fuerte como para que el mecanismo de dínamo tome el control y amplifique el campo a las magnitudes que observamos.

Los campos magnéticos están en todas partes

Los campos magnéticos naturales se ven en todas partes del universo. Se observaron por primera vez en la Tierra hace miles de años, a través de su interacción con minerales magnetizados como la piedra imán, y se utilizaron para la navegación mucho antes de que las personas comprendieran su naturaleza u origen. El magnetismo en el sol fue descubierto a principios del siglo XX por sus efectos en el espectro de luz que emitía el sol. Desde entonces, telescopios más potentes que buscan en las profundidades del espacio descubrieron que los campos eran ubicuos.

Y aunque los científicos habían aprendido durante mucho tiempo cómo hacer y usar imanes permanentes y electroimanes, que tenían todo tipo de aplicaciones prácticas, los orígenes naturales de los campos magnéticos en el universo seguían siendo un misterio. El trabajo reciente ha brindado parte de la respuesta, pero muchos aspectos de esta pregunta aún están en debate.

Amplificación de campos magnéticos:el efecto dínamo

Los científicos comenzaron a pensar en este problema considerando la forma en que se producían los campos eléctricos y magnéticos en el laboratorio. Cuando los conductores, como el alambre de cobre, se mueven en campos magnéticos, se crean campos eléctricos. Estos campos, o voltajes, pueden impulsar corrientes eléctricas. Así es como se produce la electricidad que usamos todos los días. A través de este proceso de inducción, grandes generadores o "dínamos" convierten la energía mecánica en energía electromagnética que alimenta nuestros hogares y oficinas. Una característica clave de las dínamos es que necesitan campos magnéticos para funcionar.

Pero en el universo no hay cables evidentes ni grandes estructuras de acero, entonces, ¿cómo surgen los campos? El progreso en este problema comenzó hace aproximadamente un siglo cuando los científicos reflexionaron sobre la fuente del campo magnético de la Tierra. Para entonces, los estudios de la propagación de las ondas sísmicas mostraron que gran parte de la Tierra, debajo de las capas superficiales más frías del manto, era líquida y que había un núcleo compuesto de níquel y hierro fundidos. Los investigadores teorizaron que el movimiento convectivo de este líquido conductor eléctrico caliente y la rotación de la Tierra se combinaron de alguna manera para generar el campo terrestre.

Eventualmente, surgieron modelos que mostraban cómo el movimiento convectivo podría amplificar un campo existente. Este es un ejemplo de "autoorganización", una característica que se ve a menudo en sistemas dinámicos complejos, donde las estructuras a gran escala crecen espontáneamente a partir de dinámicas a pequeña escala. Pero al igual que en una central eléctrica, necesitabas un campo magnético para crear un campo magnético.

Un proceso similar está funcionando en todo el universo. Sin embargo, en estrellas y galaxias y en el espacio entre ellas, el fluido conductor de electricidad no es metal fundido, sino plasma, un estado de la materia que existe a temperaturas extremadamente altas donde los electrones son arrancados de sus átomos. En la Tierra, los plasmas se pueden ver en relámpagos o luces de neón. En tal medio, el efecto dínamo puede amplificar un campo magnético existente, siempre que comience en un nivel mínimo.

Haciendo los primeros campos magnéticos

¿De dónde viene este campo de semillas? Ahí es donde se encuentra el trabajo reciente de Zhou y sus colegas, publicado el 5 de mayo en PNAS , entra. Zhou desarrolló la teoría subyacente y realizó simulaciones numéricas en poderosas supercomputadoras que muestran cómo se puede producir el campo de semillas y qué procesos fundamentales están en funcionamiento. Un aspecto importante del plasma que existe entre las estrellas y las galaxias es que es extraordinariamente difuso, normalmente alrededor de una partícula por metro cúbico. Esa es una situación muy diferente a la del interior de las estrellas, donde la densidad de partículas es alrededor de 30 órdenes de magnitud mayor. Las bajas densidades hacen que las partículas de los plasmas cosmológicos nunca choquen, lo que tiene efectos importantes en su comportamiento que debían incluirse en el modelo que estos investigadores estaban desarrollando.

Los cálculos realizados por los investigadores del MIT siguieron la dinámica en estos plasmas, que se desarrollaron a partir de ondas bien ordenadas pero se volvieron turbulentos a medida que la amplitud crecía y las interacciones se volvieron fuertemente no lineales. Al incluir efectos detallados de la dinámica del plasma a pequeña escala en procesos astrofísicos macroscópicos, demostraron que los primeros campos magnéticos se pueden producir espontáneamente a través de movimientos genéricos a gran escala tan simples como flujos cortados. Al igual que los ejemplos terrestres, la energía mecánica se convirtió en energía magnética.

Un resultado importante de su cálculo fue la amplitud del campo magnético esperado generado espontáneamente. Lo que esto mostró fue que la amplitud del campo podría aumentar de cero a un nivel en el que el plasma se "magnetiza", es decir, donde la dinámica del plasma se ve fuertemente afectada por la presencia del campo. En este punto, el mecanismo de dínamo tradicional puede hacerse cargo y elevar los campos a los niveles que se observan. Por lo tanto, su trabajo representa un modelo autoconsistente para la generación de campos magnéticos a escala cosmológica.

La profesora Ellen Zweibel de la Universidad de Wisconsin en Madison señala que "a pesar de décadas de notable progreso en cosmología, el origen de los campos magnéticos en el universo sigue siendo desconocido. Es maravilloso ver la teoría de la física del plasma y la simulación numérica de última generación. aplicado a este problema fundamental".

Zhou y sus colaboradores continuarán refinando su modelo y estudiando el traspaso desde la generación del campo de semillas hasta la fase de amplificación de la dínamo. Una parte importante de su investigación futura será determinar si el proceso puede funcionar en una escala de tiempo consistente con las observaciones astronómicas. Para citar a los investigadores, "Este trabajo proporciona el primer paso en la construcción de un nuevo paradigma para comprender la magnetogénesis en el universo". + Explora más

Rotación instantánea del magnetismo por movimiento giroscópico de electrones relativistas

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.