El desconcertante vínculo entre la formación estelar y las emisiones de radio en las galaxias

(Noticias de Nanwerk) para comprender la formación y evolución de galaxias como nuestra Vía Láctea, es fundamental conocer la cantidad de estrellas recién formadas tanto en las galaxias cercanas como en las lejanas. Para este propósito, los astrónomos a menudo usan un vínculo entre la radiación infrarroja y de radio de las galaxias, que se descubrió hace ya 50 años: la radiación energética de las estrellas jóvenes y masivas que se forman en las regiones más densas de las galaxias es absorbida por las nubes de polvo circundantes y re- emitida como radiación infrarroja Baja energía.

Eventualmente, cuando se agota el suministro de combustible, estas estrellas masivas explotan como supernovas al final de sus vidas. En esta explosión, la atmósfera estelar exterior es expulsada al medio ambiente, acelerando unas pocas partículas del medio interestelar a muy altas energías, dando lugar a los llamados rayos cósmicos. En el campo magnético de la galaxia, estas partículas rápidas, que viajan casi a la velocidad de la luz, emiten radiación de radio de muy baja energía con una longitud de onda de unos pocos centímetros a metros.

A través de esta serie de procesos, las estrellas recién formadas y la radiación infrarroja y de radio de las galaxias están estrechamente relacionadas. Una simulación de la formación de galaxias de disco, en la que los rayos cósmicos son acelerados por los restos de supernova y luego escapan al medio interestelar. Las secciones transversales del disco (arriba) y las secciones verticales (abajo) muestran la densidad de conteo de electrones de rayos cósmicos en estado estable (izquierda), la intensidad del campo magnético (centro) y el brillo del radiosincrotrón. (Foto: Werhahn/AIP)

Aunque esta relación se usa a menudo en astronomía, las condiciones físicas exactas aún no están claras. Los intentos anteriores de explicar esto por lo general han fallado en una predicción: si los rayos cósmicos de alta energía son de hecho responsables de la radiación de radio de estas galaxias, la teoría predice espectros de radio muy pronunciados (alta emisión a bajas frecuencias de radio) que no coinciden con los observaciones.

Para llegar al fondo de este misterio, un equipo de investigadores de AIP ahora, por primera vez, simuló estos procesos realistas de formación de galaxias en una computadora y calculó espectros de energía de rayos cósmicos.

«Durante la formación del disco galáctico, los campos magnéticos cósmicos se amplifican para igualar los fuertes campos magnéticos observados en la galaxia», explica el profesor Christoph Frommer, jefe de cosmología y astrofísica de alta energía en AIP.

Cuando las partículas de rayos cósmicos en los campos magnéticos emiten radiación radiactiva, pierden parte de su energía en su camino hacia nosotros. Como resultado, el espectro de radio se vuelve más plano a frecuencias más bajas. A altas frecuencias, además de la emisión de radio de los rayos cósmicos, también contribuye la emisión de radio del medio interestelar, que tiene un espectro plano. Por lo tanto, la combinación de estos dos procesos puede explicar completamente la radiación de radio plana observada en toda la galaxia, así como la emisión de las regiones centrales. Esto también explica el misterio que explica por qué las ondas infrarrojas y de radio de las galaxias están tan estrechamente relacionadas.

Maria Werhan, estudiante de doctorado en AIP y primera autora de uno de los estudios concluidos.

Publicaciones cientificas

Rayos cósmicos y emisiones no térmicas en galaxias simuladas: III. Calorimetría de rayos cósmicos mediante espectros de radio y FIR. M. Werhahn, C. Pfrommer, P. Girichidis, 2021, MNRAS505, 3295, DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2535

Simulación de emisión de radiosincrotrón en galaxias con formación estelar: una dínamo magnética a pequeña escala y el origen de la correlación del infrarrojo lejano. C. Pfrommer, M. Werhahn, R. Pakmor, P. Girichidis, C. Simpson, 2022, MNRASAceptado, https://arxiv.org/abs/2105.12132v2