Che le galassie a spirale abbiano campi magnetici è noto da oltre mezzo secolo (e le previsioni che dovrebbero esistere prima della scoperta di diversi anni), e alcuni campi magnetici delle galassie sono stati mappati in modo molto dettagliato.
Ma come hanno fatto questi campi magnetici ad avere le caratteristiche che li osserviamo? E come persistono?
Un recente articolo degli astronomi britannici Stas Shabala, James Mead e Paul Alexander potrebbe contenere risposte a queste domande, con quattro processi fisici che svolgono un ruolo chiave: immissione di gas freddo sul disco, feedback delle supernova (questi due aumentano la turbolenza magnetoidrodinamica), formazione di stelle (questo rimuove il gas e quindi l'energia turbolenta dal gas freddo) e la rotazione galattica differenziale (questo trasferisce continuamente energia di campo dal campo casuale incoerente in un campo ordinato). Tuttavia, è necessario almeno un altro processo chiave, poiché i modelli degli astronomi sono incompatibili con i campi osservati di enormi galassie a spirale.
“L'emissione di radio sincrotrone di elettroni ad alta energia nel mezzo interstellare (ISM) indica la presenza di campi magnetici nelle galassie. Le misure di rotazione (RM) delle sorgenti polarizzate di fondo indicano due varietà di campo: un campo casuale, che non è coerente su scale più grandi della turbolenza dell'ISM; e un campo a spirale ordinato che mostra coerenza su larga scala ”, scrivono gli autori. “Per una galassia tipica questi campi hanno punti di forza di pochi μG. In una galassia come M51, si osserva che il campo magnetico coerente è associato ai bracci a spirale ottica. Tali campi sono importanti nella formazione stellare e nella fisica dei raggi cosmici e potrebbero anche avere un effetto sull'evoluzione della galassia, ma, nonostante la loro importanza, le domande sulla loro origine, evoluzione e struttura rimangono in gran parte irrisolte. "
Questo campo in astrofisica sta facendo rapidi progressi, con la comprensione di come il campo casuale viene generato essendo diventato ragionevolmente ben consolidato solo nell'ultimo decennio o giù di lì (è generato dalla turbolenza nell'ISM, modellato come un magnetoidrodinamico monofase (MHD) fluido, all'interno del quale sono congelate le linee del campo magnetico). D'altra parte, la produzione del campo su larga scala mediante l'avvolgimento dei campi casuali in una spirale, mediante rotazione differenziale (una dinamo), è nota da molto più tempo.
I dettagli di come si è formato il campo ordinato nelle spirali quando si sono formate quelle stesse galassie - entro poche centinaia di milioni di anni dal disaccoppiamento della materia barionica e delle radiazioni (che hanno dato origine al fondo cosmico a microonde che vediamo oggi) - stanno diventando chiari, sebbene test queste ipotesi non sono ancora possibili, dal punto di vista osservazionale (pochissime galassie ad alto spostamento verso il rosso sono state studiate nel periodo ottico e NIR, per non parlare del fatto che i loro campi magnetici sono stati mappati in dettaglio).
“Presentiamo il primo (a nostra conoscenza) tentativo di includere campi magnetici in un modello di evoluzione ed evoluzione della galassia autoconsistente. Sono previste diverse proprietà della galassia e le confrontiamo con i dati disponibili ”, affermano Shabala, Mead e Alexander. Cominciano con un modello analitico di formazione e evoluzione della galassia, che “traccia il raffreddamento del gas, la formazione di stelle e vari processi di feedback in un contesto cosmologico. Il modello riproduce simultaneamente le proprietà della galassia locale, la storia della formazione stellare dell'Universo, l'evoluzione della funzione di massa stellare a z ~ 1,5 e l'accumulo precoce di galassie enormi. " Fondamentale per il modello è l'energia cinetica turbolenta dell'ISM e l'energia del campo magnetico casuale: i due diventano uguali su scale temporali che sono istantanee su scale cosmologiche.
I driver sono quindi i processi fisici che iniettano energia nell'ISM e che rimuovono energia da esso.
"Una delle fonti più importanti di iniezione di energia nell'ISM sono le supernovae", scrivono gli autori. "La formazione stellare rimuove l'energia turbolenta", come ti aspetteresti, e il gas "che si accumula dall'alone della materia oscura deposita la sua energia potenziale in turbolenza". Nel loro modello ci sono solo quattro parametri liberi: tre descrivono l'efficienza dei processi che aggiungono o rimuovono la turbolenza dall'ISM, e uno con quale velocità i campi magnetici ordinati sorgono da quelli casuali.
Shabala, Mead e Alexander sono entusiasti dei loro risultati? Sarai il giudice: “Per testare i modelli vengono utilizzati due campioni locali. Il modello riproduce le intensità del campo magnetico e le radio luminosità su un'ampia gamma di galassie a bassa e media massa ".
E cosa pensano che siano necessari per spiegare le osservazioni astronomiche dettagliate delle galassie a spirale ad alta massa? "L'inclusione dell'espulsione di gas da potenti AGN è necessaria per spegnere il raffreddamento del gas".
Inutile dire che la prossima generazione di radiotelescopi - EVLA, SKA e LOFAR - sottoporrà tutti i modelli di campi magnetici nelle galassie (non solo spirali) a test molto più rigorosi (e persino abilitando ipotesi sulla formazione di quei campi, oltre 10 miliardi di anni fa, da testare).
Fonte: campi magnetici nelle galassie: I. Dischi radio nelle galassie locali di tipo tardivo
