Se encuentra una galaxia flotando en un tranquilo mar de gas de halo

Esta ilustración muestra la señal de radio de la ráfaga de radio rápida FRB 181112 que pasa a través del halo de una galaxia en primer plano en su camino hacia los telescopios que la detectaron en la Tierra. (Ilustración © J. Josephides, Centro de Astrofísica y Supercomputación, Universidad Tecnológica de Swinburne)

El análisis de los pulsos de radio que pasaron a través de un halo galáctico revela un halo sorprendentemente inactivo con muy baja densidad y campo magnético débil. 

Usando un misterio cósmico para sondear otro, los astrónomos analizaron la señal de una ráfaga rápida de radio (FRB, por sus siglas en inglés), una explosión enigmática de ondas de radio cósmicas que dura menos de un milisegundo, para caracterizar el gas difuso en el halo de una galaxia masiva. 

Un vasto halo de gas de baja densidad se extiende mucho más allá de la parte luminosa de una galaxia donde se concentran las estrellas. Aunque este gas caliente y difuso constituye la mayoría de la masa de una galaxia, más que las estrellas, es casi imposible de ver. En noviembre de 2018, los astrónomos detectaron una ráfaga rápida de radio que atravesó el halo de una galaxia masiva en su camino hacia la Tierra, lo que les permitió obtener por primera vez pistas sobre la naturaleza del gas de halo a partir de una elusiva señal de radio. 

Las imágenes con el Very Large Telescope (VLT) en Chile muestran la galaxia anfitriona de la ráfaga de radio rápida, con la posición de la ráfaga representada por las elipses rojas. La galaxia más brillante ubicada cerca está en primer plano, y la línea de visión hacia el estallido pasa a través del halo de esta galaxia en primer plano. (Crédito de la imagen: Prochaska et al., Science 2019)

"La señal de la ráfaga rápida de radio expuso la naturaleza del campo magnético alrededor de la galaxia y la estructura del gas de halo. El estudio demuestra una técnica nueva y transformadora para explorar la naturaleza de los halos de galaxias", dijo J. Xavier Prochaska, profesor de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz y autor principal de un artículo sobre los nuevos hallazgos publicado en línea el 26 de septiembre en Science. 

Los astrónomos aún no saben qué produce las ráfagas rápidas de radio, y solo recientemente han podido rastrear algunas de estas señales de radio muy cortas y muy brillantes hasta las galaxias en las que se originaron. El estallido de noviembre de 2018 (llamado FRB 181112) fue detectado y localizado por el instrumento que fue pionero en esta técnica, el radiotelescopio de la sonda australiana de kilómetros cuadrados (ASKAP) del CSIRO. Las observaciones de seguimiento con otros telescopios identificaron no solo su galaxia anfitriona sino también una galaxia brillante frente a ella. 

"Cuando superpusimos la radio y las imágenes ópticas, pudimos ver de inmediato que la ráfaga rápida de radio atravesó el halo de esta galaxia en primer plano coincidente y, por primera vez, tuvimos una forma directa de investigar esta materia invisible que rodeaba a esta galaxia, "dijo la coautora Cherie Day en la Universidad Tecnológica de Swinburne, Australia. 

Una impresión artística del radiotelescopio ASKAP de CSIRO que detecta una ráfaga de radio rápida (FRB). Los científicos no saben qué causa los FRB, pero debe involucrar una energía increíble, equivalente a la cantidad liberada por el Sol en 80 años.

Un halo galáctico contiene materia oscura y materia ordinaria ("bariónica"), que se espera que sea principalmente gas ionizado caliente. Si bien la parte luminosa de una galaxia masiva puede tener alrededor de 30.000 años luz de diámetro, su halo más o menos esférico es diez veces más grande. El gas de halo alimenta la formación de estrellas a medida que cae hacia el centro de la galaxia, mientras que otros procesos (como las explosiones de supernova) pueden expulsar material de las regiones de formación estelar y hacia el halo galáctico. Una razón por la que los astrónomos quieren estudiar el gas de halo es para comprender mejor estos procesos de eyección, que pueden detener la formación de estrellas. 

"El gas de halo es un registro fósil de estos procesos de expulsión, por lo que nuestras observaciones pueden informar teorías sobre cómo se expulsa la materia y cómo los campos magnéticos se enhebran a través de las galaxias", dijo Prochaska. 

Contrariamente a lo esperado, los resultados del nuevo estudio indican una densidad muy baja y un campo magnético débil en el halo de esta galaxia interviniente. 

"El halo de esta galaxia es sorprendentemente tranquilo", dijo Prochaska. "La señal de radio no fue perturbada en gran medida por la galaxia, que está en marcado contraste con lo que los modelos anteriores predicen que habría sucedido con la explosión". 

La señal de FRB 181112 consistió en varios pulsos, cada uno con una duración inferior a 40 microsegundos (diez mil veces más corto que un abrir y cerrar de ojos). La corta duración de los pulsos pone un límite superior a la densidad del gas de halo, porque el paso a través de un medio más denso alargaría las señales de radio. Los investigadores calcularon que la densidad del gas de halo debe ser inferior a la décima parte de un átomo por centímetro cúbico (equivalente a varios cientos de átomos en un volumen del tamaño del globo de un niño). 

"Al igual que el aire resplandeciente en un caluroso día de verano, la atmósfera tenue en esta galaxia masiva debería distorsionar la señal de la ráfaga rápida de radio. En cambio, recibimos un pulso tan prístino y agudo que no hay ninguna firma de este gas", dijo. coautor Jean-Pierre Macquart, astrónomo del Centro Internacional de Investigación de Radioastronomía de la Universidad de Curtin, Australia. 

Las restricciones de densidad también limitan la posibilidad de turbulencias o nubes de gas frío dentro del halo ("frío" es un término relativo, que se refiere aquí a temperaturas alrededor de 10.000 Kelvin, en comparación con el gas de halo caliente en alrededor de 1 millón de Kelvin). "Un modelo preferido es que los halos están impregnados por nubes de gas aglomerado. No encontramos evidencia alguna de estas nubes", dijo Prochaska. 

La señal FRB también proporciona información sobre el campo magnético en el halo, lo que afecta la polarización de las ondas de radio. El análisis de la polarización en función de la frecuencia proporciona una "medida de rotación" para el halo, que los investigadores encontraron muy baja. "El campo magnético débil en el halo es mil millones de veces más débil que el de un imán de refrigerador", dijo Prochaska. 

En este punto, con los resultados de un solo halo galáctico, los investigadores no pueden decir si la densidad inesperadamente baja y la intensidad del campo magnético son inusuales o si estudios previos de halos galácticos han sobreestimado estas propiedades. ASKAP y otros radiotelescopios utilizarán ráfagas rápidas de radio para estudiar muchos más halos galácticos y resolver sus propiedades. 

"Esta galaxia puede ser especial", dijo Prochaska. "Necesitaremos utilizar FRB para estudiar decenas o cientos de galaxias en un rango de masas y edades para evaluar la población completa". 

Fuente: Universidad de California en Santa Cruz,