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Se empieza a descubrir el universo magnético oculto

Los astrónomos están descubriendo que buena parte del cosmos está impregnada de campos magnéticos. Si esos campos proceden de la gran explosión, podrían ser la solución de un gran misterio cosmológico.

• Natalie Wolchover

Cada vez que los astrónomos inventan una nueva forma de buscar campos magnéticos en regiones cada vez más remotas del cosmos, inexplicablemente los encuentran.

Esos campos de fuerza, el mismo tipo de ente que emana de los imanes de las neveras, rodean la Tierra, el Sol y las galaxias. Hace veinte años, los astrónomos empezaron a detectar magnetismo que impregnaba cúmulos enteros de galaxias, hasta el espacio entre una galaxia y la siguiente. Líneas de campo invisibles se arqueaban a través del campo galáctico como los surcos de las huellas dactilares.

El año pasado, los astrónomos lograron por fin examinar una región del espacio mucho más difusa: las extensiones entre cúmulos de galaxias. Allí descubrieron el mayor campo magnético hallado hasta ahora: diez millones de años luz de espacio magnetizado que cubrían toda la longitud de ese «filamento» de la telaraña cósmica. Ya se ha divisado un segundo filamento magnetizado en otra parte del cosmos por medio de las mismas técnicas. «Lo más probable es que solo estemos mirando la punta del iceberg», dice Federica Govoni, del Instituto Nacional de Astrofísica de Cagliari, en Cerdeña, Italia, que dirigió la primera detección.

La cuestión es: ¿de dónde vienen esos enormes campos magnéticos?

«Está claro que no se puede relacionarlos con las actividades de galaxias o explosiones sueltas», dice Franco Vazza, astrofísico de la Universidad de Bolonia que hace simulaciones por ordenador avanzadas de los campos magnéticos del cosmos. «Va mucho más allá de ello».

Una posibilidad es que ese magnetismo cósmico sea primordial y se remonte hasta el nacimiento del universo. En ese caso, tendría que haber un débil magnetismo en todas partes, hasta en los «vacíos» de la telaraña cósmica, las regiones más oscuras y vacías del universo. El omnipresente magnetismo habría sembrado los campos más intensos que florecieron en las galaxias y los cúmulos.

La red cósmica, mostrada aquí en una simulación de ordenador, es la estructura a gran escala del universo. Las regiones densas están llenas de galaxias y cúmulos de galaxias. Delgados filamentos conectan esas aglomeraciones. Los vacíos son regiones de espacio con una bajísima densidad de materia [Springel & others / Virgo Consortium].

El magnetismo primordial podría resolver además otro entuerto cosmológico, la llamada tensión de Hubble, que es seguramente el tema más 

El problema que es el meollo mismo de la tensión de Hubble consiste en que el universo parece estar expandiéndose bastante más deprisa de lo que cabría esperar según sus ingredientes conocidos. En un artículo publicado en Internet en abril y que está siendo revisado por Physical Review Letters, los cosmólogos Karsten Jedamzik y Levon Pogosian sostienen que los débiles campos magnéticos de los primeros tiempos del universo joven habrían conducido al ritmo de expansión más rápido que vemos hoy.

El magnetismo primordial alivia la tensión de Hubble de una manera tan sencilla que el artículo de Jedamzik y Pogosian llamó rápidamente la atención. «Son un artículo y una idea excelentes», según Marc Kamionkowski, cosmólogo teórico de la Universidad Johns Hopkins, que ha propuesto otras soluciones de la tensión de Hubble.Kamionkowski y otros dicen que se necesitan más comprobaciones para estar seguros de que el magnetismo primordial no hace que otros cálculos cosmológicos se descabalen. Y aunque la idea funciona sobre el papel, habrá que encontrar pruebas concluyentes del magnetismo primordial para que haya certeza de que es el agente conformador del universo que faltaba.

No obstante, en todos los años que se lleva hablando de la tensión de Hubble, quizá resulte extraño que nadie tuviese antes en cuenta el magnetismo. Según Pogosian, que es profesor de la Universidad Simon Fraser de Canadá, la mayoría de los cosmólogos apenas si piensan en el magnetismo. «Todo el mundo sabe que es uno de los grandes problemas», dice. Pero durante muchos años no hubo forma de saber si el magnetismo era realmente ubicuo y por lo tanto un componente primordial del cosmos, así que los cosmólogos dejaron de prestarle atención casi por completo.

Mientras, los astrofísicos siguieron recogiendo datos. El peso de los indicios ha llevado a la mayoría a sospechar que el magnetismo está, en efecto, por todas partes.

El alma magnética del universo

En el año 1600, los estudios del científico inglés William Gilbert con la piedra imán (roca magnetizada de modo natural con la que se habían hecho imanes desde hacía miles de años) le condujeron a opinar que su fuerza magnética «imita un alma». Se imaginaba, correctamente, que la Tierra misma era «un gran imán» y que las piedras imán «miran hacia los polos de la Tierra».

Los campos magnéticos se generan cuando fluye carga eléctrica. El campo de la Tierra, por ejemplo, emana de su «dinamo» interna, la corriente de hierro líquido que se agita en su núcleo. Los campos de los imanes de nevera y de las piedras imán son generados por los electrones que giran alrededor de los átomos que los constituyen.

Las simulaciones cosmológicas ilustran dos explicaciones posibles de cómo se impregnaron de campo magnético los cúmulos de galaxias. A la izquierda, los campos se desarrollan a partir de campos semilla que llenaban el cosmos en los momentos posteriores a la gran explosión. A la derecha, procesos astrofísicos, como la creación de estrellas y el flujo de materia hacia agujeros negros supermasivos, crean vientos magnetizados que desbordan las galaxias [F. Vazza, 2016].    

Sin embargo, una vez que las partículas cargadas en movimiento generan un campo magnético «semilla», este puede volverse más grande y más intenso al alinear consigo campos más débiles. El magnetismo «es un poco como un organismo vivo», dice Torsten Enßlin, astrofísico teórico del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania, «porque los campos magnéticos aprovechan cualquier fuente de energía libre a la que puedan echar mano y así crecen. Pueden extenderse y afectar a otras zonas con su presencia, donde crecen también».

Ruth Durrer, cosmóloga teórica de la Universidad de Ginebra, explica que el magnetismo es la única fuerza, además de la gravedad, que puede moldear la estructura a gran escala del cosmos porque solo el magnetismo y la gravedad «se extienden hasta donde está uno» a través de vastas distancias. La electricidad, por el contrario, es local y fugaz, ya que la carga positiva y la negativa se neutralizan en conjunto en cualquier región. Pero no se pueden anular los campos magnéticos: tienden a sumarse y sobrevivir.

Sin embargo, con todo su poder, estos campos de fuerza mantienen un perfil bajo. Son inmateriales, perceptibles solo cuando actúan sobre las cosas. «No se puede tomar una foto de un campo magnético; no funciona así», dice Reinout van Weeren, astrónomo de la Universidad de Leiden que participó en las recientes detecciones de filamentos magnetizados.

En un artículo del año pasado, Weeren y otros 28 coautores infirieron la presencia de un campo magnético en el filamento entre los cúmulos de galaxias Abell 399 y Abell 401 a partir de la manera en que el campo redirige los electrones de alta velocidad y otras partículas cargadas que lo atraviesan. Al torcerse sus trayectorias en el campo, esas partículas cargadas desprenden una débil «radiación de sincrotrón».

La señal de sincrotrón es más intensa en las frecuencias bajas de radio, con lo que resulta idónea para su detección por LOFAR, una red de 20.000 antenas de radio de baja frecuencia dispersas por Europa.

El equipo tomó los datos sobre el filamento en realidad en 2014, durante un solo trecho de ocho horas, pero los datos tuvieron que esperar porque la comunidad radioastronómica se pasó años dándole vueltas a cómo se mejoraba la calibración de las mediciones de LOFAR. La atmósfera de la Tierra refracta las ondas de radio que la atraviesan, así que LOFAR ve el cosmos como si estuviese en el fondo de una piscina. Los investigadores resolvieron el problema siguiendo el bamboleo de las «balizas» celestes (los emisores de radio con localizaciones conocidas de forma precisa) y corrigiendo ese bamboleo para desemborronar los datos. Cuando aplicaron el algoritmo desemborronador a los datos del filamento, vieron el resplandor de las emisiones de sincrotrón inmediatamente.

LOFAR consta de 20.000 antenas de radio dispersas por Europa [ASTRON].

El filamento parece estar magnetizado por todas partes, no solo cerca de los cúmulos de galaxias que se mueven uno hacia el otro desde cada extremo. Los investigadores esperan que un conjunto de 50 horas de datos que están analizando revelarán más detalles. Observaciones adicionales han descubierto recientemente campos magnéticos que se extienden a través de un segundo filamento. Los investigadores piensan publicar este trabajo pronto.

La información que aporta la presencia de campos magnéticos enormes en al menos esos dos filamentos es importante. «Ha alentado no poca actividad», dice Van Weeren, «porque ahora sabemos que los campos magnéticos son bastante intensos».

Una luz a través de los vacíos

Si estos campos magnéticos se generaron en el universo naciente, la pregunta pasa a ser ¿cómo? «Se lleva pensando en este problema desde hace mucho», dice Tanmay Vachaspati, de la Universidad del Estado de Arizona.

Vachaspati propuso en 1991 que los campos magnéticos se pudieron generar durante la transición de la fase electrodébil, el momento, una fracción de segundo después de la gran explosión, en que las fuerzas electromagnética y nuclear débil se diferenciaron una de otra. Otros han propuesto que el magnetismo se materializó unos microsegundos después, cuando se formaron los protones. O poco después de eso: el ya fallecido astrofísico Ted Harrison sostuvo en la primera teoría de la magnetogénesis primodial, enunciada en 1973, que el plasma turbulento de protones y electrones podría haber tejido los primeros campos magnéticos. Y los hay que propusieron que el espacio se magnetizó durante la inflación cósmica, la desbocada expansión del espacio que supuestamente puso en marcha a la gran explosión misma. También es posible que no ocurriese hasta que no se hubieron desarrollado las estructuras mil millones de años después.

La forma de comprobar las teorías de la magnetogénesis es estudiar el patrón de los campos magnéticos en las zonas más puras del espacio intergaláctico: las partes tranquilas de los filamentos y los aún menos densos vacíos. Ciertos detalles, el que las líneas del campo sean suaves, helicoidales o «curvadas de todas las formas, como el hilo en el ovillo o algo así» (explica Vachaspati), y cómo cambia el patrón en diferentes lugares y en diferentes escalas, aportan una rica información que se puede comparar con la teoría y con las simulaciones. Por ejemplo, si los campos magnéticos se generan durante la transición de fase electrodébil, como propuso Vachaspati, las líneas de campo resultantes tendrían que ser helicoidales, «como un sacacorchos», dice.

La pega es que resulta difícil detectar campos de fuerza que no tienen nada para empujar.

Un método, iniciado por el científico inglés Michael Faraday allá en 1845, detecta un campo magnético por la forma en que rota la polarización de la luz que lo atraviesa. La cantidad de «rotación de Faraday» depende de la intensidad del campo magnético y de la frecuencia de la luz. Así pues, si se mide la polarización a diferentes frecuencias se podrá inferir la intensidad del magnetismo a lo largo de la línea de visión. «Si lo haces desde diferentes lugares podrás confeccionar un mapa 3D», explica Enßlin.

Se están empezando a hacer medidas rudimentarias de la rotación de Faraday con LOFAR, pero al telescopio le cuesta captar la señal, sumamente débil. Valentina Vacca, astrónoma y colaboradora de Govoni en el Instituto Nacional de Astrofísica, ideó un algoritmo hace unos años para desentrañar estadísticamente las sutiles señales de la rotación de Faraday por medio de la acumulación de muchas mediciones de lugares vacíos. «En principio, se podría usar en los vacíos cósmicos», dice.

Pero la técnica de Faraday despegará de verdad cuando la siguiente generación de radiotelescopios, un gigantesco proyecto internacional que lleva el nombre de Red del Kilómetro Cuadrado (SKA), empiece a funcionar en 2027. «SKA debería producir una retícula de Faraday fantástica», dice Enßlin.

Por ahora, el único indicio de magnetismo en los vacíos cósmicos es lo que los observadores no ven cuando miran unos objetos llamados blázares situados detrás de los vacíos.

Los blázares son haces brillantes de rayos gamma y otras formas de luz y materia con gran energía impulsados por agujeros negros supermasivos. Cuando los rayos gamma viajan por el espacio, a veces chocan con antiguas microondas y se transforman en un electrón y un positrón como resultado. Estas partículas se esfuman transformándose en rayos gamma de menor energía.

Pero si la luz del blázar atraviesa un vacío magnetizado, parecerá que faltan los rayos gamma de menor energía, razonaron en 2010 Andrii Neronov y Ievgen Vovk, del Observatorio de Ginebra. El campo magnético desviará de la línea de visión los electrones y positrones. Cuando se desintegren en los rayos gamma de menor energía, estos no apuntarán hacia nosotros.

Y cuando Neronov y Vovk analizaron los datos de un blázar adecuadamente situado, vieron, en efecto, sus rayos gamma de alta energía pero no la señal de los rayos gamma de baja energía. «La señal es la ausencia de señal», dice Vachaspati.

Una no señal difícilmente cuenta como prueba contundente; se han propuesto explicaciones alternativas de la carencia de rayos gamma. Sin embargo, las observaciones subsiguientes se han inclinado cada vez más hacia la hipótesis de Neronov y Vovk de que los vacíos están magnetizados. «Es la opinión mayoritaria», dice Durrer. Lo más convincente es el resultado que obtuvo un equipo en 2015 al superponer muchas mediciones de blázares situados tras vacíos: lograron extraer un débil halo de rayos gamma de baja energía alrededor de los blázares. Es justo lo que cabe esperar si las partículas son dispersadas por campos magnéticos débiles, con una intensidad solo una trillonésima de la intensidad del campo de un imán de nevera.

El mayor misterio de la cosmología

Es notable que esa cantidad exacta de magnetismo primordial podría ser precisamente lo que se necesita para resolver la tensión de Hubble, el problema de que el universo se expanda con esa rapidez singular.

A Pogosian se le ocurrió cuando vio unas simulaciones recientes por ordenador de Karsten Jedamzik, de la Universidad de Montpellier y un colaborador. Añadieron unos campos magnéticos débiles a un universo joven simulado, lleno de plasma, y vieron que los protones y electrones del plasma se movían por las líneas del campo magnético y se acumulaban en las regiones donde la intensidad del campo era menor. Este efecto de acumulación hacía que los protones y los electrones se combinasen formando hidrógeno (una fase primitiva llamada recombinación) antes de lo que lo habrían hecho si no.

Pogosian, al leer el artículo de Jedamzik, comprendió que podía valer para abordar la tensión de Hubble. Los cosmólogos calculan la velocidad a la que debería expandirse el espacio hoy basándose en la observación de la antigua luz emitida durante la recombinación. La luz muestra un universo joven tachonado de grumos que se formaron al ir rompiendo ondas de sonido por el plasma primordial. Si la recombinación ocurrió antes como consecuencia del efecto aglomerador de los campos magnéticos, las ondas sonoras no podrían haberse propagado tan lejos y los grumos resultantes habrían sido más pequeños. Significa que los grumos de la época de la recombinación que vemos en el espacio tendrían que estar más cerca de nosotros de lo que se suponía. La luz que procede de los grumos tendría que haber viajado una distancia menor para llegar hasta nosotros, lo cual significa a su vez que la luz habría tenido que atravesar un espacio que se expande más deprisa. «Es como intentar correr sobre una superficie que se expande; se recorre menos distancia», dice Pogosian.

En resumen: de grumos más pequeños se sigue un ritmo inferido de la expansión del universo mayor, con lo que ese ritmo inferido queda mucho más cerca de las mediciones de la velocidad a la que las supernovas y otros objetos parecen estar separándose realmente.

«Pensé: ¡vaya!, esto podría estar señalando la presencia real [de campos magnéticos], así que le escribí a Kartsen inmediatamente», dice Pogosian. Los dos se reunieron en Montpellier en febrero, justo antes del confinamiento. Sus cálculos indicaban que, en efecto, la cantidad de magnetismo primordial necesaria para abordar la tensión de Hubble coincide también con las observaciones de los blázares y el tamaño calculado de los campos iniciales necesarios para que se desarrollen los enormes campos magnéticos que se extienden por los cúmulos de galaxias y los filamentos. «Así que concuerdan cosas de todo tipo», dice Pogosian. «Si resulta que esto es correcto».

Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Relieving the Hubble tension with primordial magnetic fields», de Karsten Jedamzik y Levon Pogosian, en arXiv:2004.09487 [astro-ph.CO].