Galaxia Sacacorchos: cómo los chorros de radio en espiral sondean los campos magnéticos de los cúmulos
Se presentan observaciones polarimétricas de una radiogalaxia con chorro espiral («Galaxia Sacacorchos») en la banda de 1296–1440 MHz con el telescopio ASKAP (estudio POSSUM). Se prueba la hipótesis de una conexión entre las oscilaciones cuasiperiódicas del chorro en el plano del cielo y la rotación de Faraday. Se detectan oscilaciones significativas de la medida de rotación (RM) con un período espacial de (342±101) segundos de arco, que dentro de la resolución de Rayleigh coincide con las desviaciones laterales del chorro de (290±72) segundos de arco. El análisis de correlación cruzada revela un cambio sistemático: en el sector oriental, las desviaciones del chorro y la RM están en fase, lo que indica una pantalla de Faraday asociada al chorro o envolvente, mientras que en el occidental se observa un desplazamiento de fase, lo que sugiere un cambio en el medio rotatorio dominante con posible contribución del medio intracumular. Se demuestra que las señales cuasiperiódicas de RM permiten separar las fuentes de campos magnéticos en los chorros de AGN, y en algunas radiogalaxias sumergidas, la principal contribución a la RM proviene del medio cercano a la fuente, no del primer plano del cúmulo. Se definen criterios de fiabilidad para excluir detecciones falsas.
Context
Los campos magnéticos juegan un papel clave en el lanzamiento, colimación e interacción de los chorros de los agujeros negros supermasivos agujeros negros en los centros de las galaxias, cuyo corrimiento al rojo indica la expansión del Universo, descubierta por Edwin Hubble, con el medio intergaláctico. Sin embargo, determinar exactamente dónde se produce la rotación de Faraday —en el chorro mismo, en su envoltura o en el plasma de fondo del cúmulo— sigue siendo una tarea difícil. Las radiogalaxias espirales o con forma de sacacorchos, cuyos chorros experimentan desviaciones laterales regulares, ofrecen una oportunidad única: si la rotación de Faraday está ligada a la morfología del chorro, entonces, analizando la periodicidad de la RM y su relación de fase con las ondulaciones, se puede «desenredar» la contribución de los distintos medios magnetizados. Esto es especialmente importante para comprender los mecanismos de calentamiento y el aumento de la entropía del gas en los cúmulos, donde también hay que considerar la masa determinada por lentes gravitacionales y la distribución de materia oscura, señalada por primera vez por Fritz Zwicky.
Methods
Las observaciones se realizaron con el radiotelescopio australiano ASKAP en el marco del sondeo POSSUM en la banda de 1296–1440 MHz. Para la brillante radiogalaxia ESO 137-G007 («Galaxia Sacacorchos») en el cúmulo de Norma (Abell 3627), se construyó un mapa de la medida de rotación de Faraday (RM) con una alta relación señal/ruido. El método se basa en la dependencia del giro del plano de polarización con la longitud de onda, descrita por la constante de la velocidad de la luz, que forma parte de la fórmula derivada de las ecuaciones de James Clerk Maxwell. Mediante el algoritmo FilFinder se extrajo la línea central del chorro y se midieron sus desviaciones transversales. Luego se construyeron perfiles unidimensionales de RM a lo largo del eje y, aplicando el periodograma de Lomb-Scargle y análisis de correlación cruzada, se compararon con la serie de desviaciones. Para descartar señales espurias, se crearon mapas simulados de RM que reproducen las fluctuaciones del fondo galáctico, y se utilizaron datos sustitutos con fase aleatorizada.
Results
Resultó que la RM a lo largo del chorro varía regularmente, con una amplitud de hasta varios cientos de rad/m² y un período espacial característico de (342±101) segundos de arco, que dentro de la resolución de Rayleigh coincide con el período de las desviaciones laterales del chorro de (290±72) segundos de arco. El pico de RM en el periodograma supera 11 veces el percentil 84 de la distribución de modelos nulos, lo que descarta un origen en el fondo galáctico. La correlación cruzada reveló un comportamiento diferente en las secciones oriental y occidental: en la parte oriental, la RM y las desviaciones del chorro están casi en fase (solo el 7.6% de los modelos nulos dan una correlación mayor con retraso cero), mientras que en la occidental la relación es débil, con una fase desplazada. Esto indica una transición desde una pantalla de Faraday asociada al chorro o a su envoltura hacia el predominio del medio intergaláctico local, rico en hidrógeno y helio. Las estimaciones de los campos magnéticos arrojan valores del orden de unos pocos microgauss tanto para el capullo del chorro como para el plasma circundante.
Implications
Los resultados demuestran por primera vez de forma clara que la estructura espiral del chorro de radio puede servir como «regla» para separar las fuentes internas y externas de la rotación de Faraday. Esto abre la perspectiva de utilizar la población de radiogalaxias con forma de sacacorchos como sondas sensibles del medio intracúmulo magnetizado, permitiendo medir los parámetros de los campos magnéticos a escalas de decenas de kiloparsecs. Además, el enfoque proporciona una nueva prueba observacional para los modelos de formación y estabilidad de los chorros, incluyendo el papel de las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz y de retorcimiento (kink), que también afectan a la distribución de la entropía.
Future development
Con la puesta en marcha del Square Kilometre Array (SKA), se espera descubrir un gran número de galaxias con una estructura espiral pronunciada en sus chorros. Para ellas será posible un análisis estadístico: por ejemplo, la comparación de la RM en los puntos de máxima curvatura y en los puntos medios para una gran muestra permitirá determinar con qué frecuencia dominan los campos magnéticos del chorro o del medio. El modelado detallado de la magnetohidrodinámica (MHD) teniendo en cuenta la transferencia de radiación polarizada, incluyendo el cálculo de la emisión sincrotrón y la rotación de Faraday, será el siguiente paso para refinar la interpretación de las relaciones de fase observadas. Paralelamente, la comparación con mapas de lentes gravitacionales y la distribución de materia oscura ayudará a relacionar los campos magnéticos con la masa total de los cúmulos.
Impact
El trabajo tendrá impacto en la física de los núcleos activos de galaxias, la astrofísica de cúmulos y la metodología de los sondeos polarimétricos de nueva generación. La capacidad de distinguir las contribuciones de los campos magnéticos del chorro y del medio es fundamental para comprender la retroalimentación de los AGN y la evolución de la estructura a gran escala del Universo.
Next steps
Los próximos pasos incluyen observaciones polarimétricas multibanda de la «Galaxia Sacacorchos» con MeerKAT y el futuro SKA para verificar el modelo con una cobertura de frecuencia más amplia y mejor resolución. También se planea ampliar la muestra de fuentes espirales para el análisis estadístico RM-morfología.
Key open problems
La investigación está directamente relacionada con dos problemas clave no resueltos: el origen y la estabilidad de los chorros relativistas (cómo se forman y mantienen las estructuras espirales) y la naturaleza del magnetismo cósmico (cómo se amplifican y ordenan los campos magnéticos en los cúmulos de galaxias). Además, aborda la cuestión fundamental de la interacción de la materia oscura con la materia ordinaria a través de los campos magnéticos.
🎯 El nombre «Galaxia Sacacorchos» (Corkscrew Galaxy) se debe a su asombroso parecido con un sacacorchos: ¡su chorro de radio, de casi 600 kiloparsecs de longitud, está enrollado en dos vueltas completas! Es uno de los chorros espirales más largos conocidos en el Universo.
Key numbers
- período de oscilaciones de RM: (342±101) segundos de arco
- período de ondulaciones del chorro: (290±72) segundos de arco
- extensión del chorro de radio: ~570 kiloparsecs
- campo magnético en la parte occidental: 2–4 μGauss
- densidad de electrones en el ICM: (6–9)×10⁻⁴ cm⁻³