Un laboratorio cultiva semillas de campos magnéticos galácticos
Los científicos creen que tras el Big Bang se generaron campos magnéticos galácticos a partir de ‘gérmenes de campo’ producidos por ondas de choque. Esta teoría sobre la formación y evolución del universo ha sido examinada en un reciente experimento que reprodujo en un laboratorio el estado de plasma de estas etapas tempranas.
El origen de los campos magnéticos que cortan el medio interestelar es todavía un misterio. Parece que en las primeras etapas de formación del universo las protogalaxias ya tenían fuerzas magnéticas, que, de alguna manera, se mantuvieron y organizaron para formar el campo. Los científicos buscan el mecanismo primordial que dio lugar a las formaciones que hoy observamos.
“Nosotros hemos sido capaces de reproducir en el laboratorio, en una escala reducida, el estado de plasma del universo temprano”, asegura a SINC Gianluca Gregori, autor del estudio e investigador de la Universidad de Oxford (Reino Unido).
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“Las observaciones indican, en primer lugar, que los campos están presentes en los cúmulos, en las galaxias e incluso en el vacío”, relata Gregori. “Esta extensa magnetización se explica por la gran antigüedad de los campos, por lo que deben de tener un rol importante en la evolución de las galaxias”.
En el laboratorio los investigadores han podido examinar los mecanismos de generación de campos magnéticos. Sus resultados, publicados en Nature, son coherentes con las simulaciones numéricas que señalan que los campos magnéticos actuales provienen de ‘semillas de campos’ formadas por ondas de choque tras el Big Bang.
Según esta hipótesis, los pequeños campos después se extendieron, con un mecanismo de dinamo y otros procesos turbulentos para dar lugar a los que hoy se observan.
Explosiones generadas con láser
En su estudio, Gianluca Gregori y sus colegas utilizaron sistemas de láser de alta potencia para producir los ‘campos germinales’. “Generamos las sacudidas que creemos que dieron lugar a los campos de origen con ondas expansivas. Estas se obtuvieron mediante una explosión –que imita una supernova– generada al calentar mucho una zona pequeña con el láser”, describe Gregori.
En la fase protogaláctica, a medida que la materia y el gas se acumulaban formando galaxias y cúmulos, hicieron converger impactos de acreción provocados por la gravedad.
“La idea es que, generalmente, la onda de choque no es laminar sino que tiene remolinos, como se ve en la estela de un barco o de un aeroplano”, explica el astrofísico. Además, no tenemos un gas ideal sino plasma, por lo que hay cargas que se arremolinan produciendo un bucle que genera el campo magnético”.
Los experimentos se realizaron en el Laboratorio para la Utilización de Lásers Intensos situado en la Escuela Politécnica (Francia).
Una tercera vía de investigación
Hasta ahora, las investigaciones en esta dirección se basaban en simulaciones numéricas. Pero, tal y como apunta el investigador “el problema es no lineal y se desarrolla en una amplia escala de espacio y tiempo, así que hace falta otra aproximación”.
En astrofísica otra vía muy utilizada –y la más clásica– es la observación. “Nos da una foto de cómo es el universo, pero la cantidad de información que podemos extraer es limitada”, señala Gregori.
El equipo de la Universidad de Oxford escogió un tercer camino: “Los experimentos escalados en el laboratorio permiten estudiar grandes escalas espacio-temporales y dan información detallada del estado del plasma. Este método es complementario a los otros dos y puede llevarnos a importantes descubrimientos”, declara el investigador.
Campos magnéticos por todas partes
Los campos magnéticos son elementos fundamentales del medio estelar de las galaxias. Influyen en la presión total que equilibra la materia y energía frente al efecto de la gravedad. Podrían afectar a los flujos de gas y también son clave en las primeras etapas de la formación de las estrellas.
Dentro de la Vía Láctea se ha observado –mediante medición de estrellas– un campo magnético muy cerca del Sol. Se utilizan distintas técnicas para identificar los campos, como el estudio de la emisión polarizada de los granos de las nubes de polvo.
El experimento del grupo de Gregori muestra que los campos pudieron producirse mediante un mecanismo de choques, pero se han planteado otras hipótesis. “Por ejemplo, la teoría de F. Miniati y A. R. Bell, que sitúa el origen de los campos en unas corrientes asociadas con la propagación de rayos cósmicos”, apunta Gianluca Gregori. “Otro modelo también utiliza las ondas de choque debidas a las inestabilidades del plasma”.
Referencia bibliográfica
G. Gregori, A. Ravasio, C. D. Murphy, K. Schaar, A. Baird, A. R. Bell, A. Benuzzi-Mounaix, R. Bingham, C. Constantin, R. P. Drake, M. Edwards, E. T. Everson, C. D. Gregori, Y. Kuramitsu, W. Lau, J. Mithen, C. Niemann, H.-S. Park, B. A. Remington, B. Reville, A. P. L. Robinson, D. D. Ryutov, Y. Sakawa, S. Yang, N. C.Woolsey, M. Koenig & F. Miniati. “Generation of scaled protogalactic seed magnetic fields in laser-produced shock waves”. Nature; 481. 26 de diciembre de 2012.
The Big Bang, COBE, and the Relic Radiation of Creation
Berkeley Lab’s George Smoot won the 2006 Physics Nobel Prize, together with John Mather of NASA Goddard Space Flight Center, for “the discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation.” The anisotropy showed as small variations in the map of the early universe. This research looks back into the infant universe and provides a better understanding of the origin of galaxies and stars. The cosmic background radiation is a tool to understand the structure and history of the universe and the structure of space-time. These observations have provided increased support for the big bang theory of the universe’s origin. The Cosmic Background Explorer (COBE) NASA satellite, launched in 1989, carries instruments that measured various aspects of cosmic microwave background radiation, and produced the data for these compelling scientific results, which opened up a field that continues very actively today. His talk was presented March 5, 2007.
Origin of the Universe: The Big Bang
Dr. Christopher D. Impey, Distinguished Professor, Astronomy/Steward Observatory, The University of Arizona
The scientific story of creation begins 13.7 billion years ago in a circumstance of incredible temperature and density, when all matter and radiation was contained in a region smaller than an atom. The big bang is now a mature theory, with a web of observational evidence supporting it; and the size, shape and age of the universe have been measured with impressive accuracy. This talk will tell the story of how an iota of space-time turned into a vast cold universe of 100 billion galaxies. Presented Tuesday, February 8, 2011.
The College of Science’s “Cosmic Origins” lecture series is the story of the universe but it’s also our story. Hear about origin of space and time, mass and energy, the atoms in our bodies, the compact objects where matter can end up, and the planets and moons where life may flourish. Modern cosmology includes insights and triumphs, but mysteries remain. Join the six speakers who explore cosmology’s historical and cultural backdrop to explain the discoveries that speak of our cosmic origins.
http://cos.arizona.edu/cosmic/
En sus primeros momentos el Universo era líquido y no gaseoso, según han comprobado científicos del Colisionador de Iones Relativamente Pesados (RHIC) del Brookhaven National Laboratory en Upton, Nueva York, que explica el descubrimiento en un comunicado. Asimismo, señala que el trabajo será publicado en Nuclear Physics A, si bien un Informe Especial fue presentado el mes pasado en la asamblea de la American Physical Society (Tampa, Florida).
Este equipo de científicos reprodujo en laboratorio la sopa primigenia que dio origen a todo lo creado, hace 13.700 millones de años. Después de cinco años de intensa búsqueda del plasma de cuarks-gluón, que se cree que llenaba nuestro Universo en los primeros microsegundos de su existencia, para sorpresa de todos este plasma parece ser un líquido y no el esperado gas caliente.
En el primer millonésimo de segundo después del Big Bang, los átomos aún no existían. Los principales componentes de los átomos, los protones y los neutrones, tampoco estaban. Los flujos de materia ardiente que se dispersaron en todas las direcciones en las primeras pocas fracciones de segundo de existencia del Universo, contenían una mezcla de quarks y gluones libres, llamada plasma de quark-gluon.
Materia y plasma
Más tarde, cuando el Universo se enfrió y se volvió menos denso, los quarks y gluones se “organizaron” en varias combinaciones que crearon partículas más complejas, tales como los protones y los neutrones. Desde entonces, en realidad, los quarks o los gluones no han existido como partículas libres en el universo.
Tal como explica al respecto el Weizmann Institute of Science en un comunicado, desde hace años, los científicos que estudian las propiedades físicas únicas del plasma de quark-gluon han tratado de recrear esta materia primordial usando un acelerador, llamado RHIC, construido especialmente para este propósito en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Este acelerador crea dos rayos de iones de oro y los acelera uno hacia el otro causando un choque frontal.
El poder de los choques transforma parte de la energía kinética de los rayos en calor, mientras que la otra parte de la energía se transforma en varias partículas. La primera etapa en la creación de esas nuevas partículas, como la primera etapa de la creación de materia en el Big Bang, se supone que es la primera etapa del plasma de quark-gluon.
Uno de los sistemas para identificar el plasma de quark-gluon es observar el comportamiento de las partículas que entran en el plasma. Cuando un quark solo se propaga a través de materia ordinaria (que contiene protones y neutrones) emite radiación que de alguna manera hace más lento su progreso. En contraste, cuando entra en un medio muy denso como el plasma de quark-gluon, se hará mucho más lento. Este es precisamente el fenómeno que ha sido observado y analizado recientemente en el experimento.
Tan caliente como el corazón del Sol
La revista Science señala al respecto que, al igual que el gas que los científicos esperaban encontrar, el líquido inicial era extremadamente denso y caliente, más de 150.000 veces tan caliente como el corazón del Sol, y 100 veces tan denso que el núcleo atómico ordinario.
Lo sorprendente es que la interacción entre los cuarks y los gluones es mucho más fuerte de lo que la gente esperaba , señaló Dmitri Kharzeev, un físico teórico en Brookhaven, a la revista Nature. La fuerza de esta unión mantiene a la mezcla licuada a pesar de su increíble temperatura. Es tan fluida como el agua en un vaso , añade Kharzeev.
El descubrimiento puede ayudar a explicar por qué las partes más profundas del Universo se ven similares, no importa hacia donde miren los astrónomos, dice Kharzeev. Si el líquido primordial hubiese sido viscoso como la miel, el Universo se habría vuelto más grumoso, explica. Podemos estar seguros de que esto cambiará nuestra visión del Universo original , dice.
Adiós al gas original
Hasta ahora se creía que la materia que apareció en primer lugar en el Universo era un gas extraño cuyos componentes más tarde se concretaron en la materia más ordinaria, compuesta por átomos. Por lo menos, esa era la creencia. Ahora, el descubrimiento del posible líquido (que no gas) primigenio podría influir en los modelos cosmológicos que intentan describir la evolución del Universo.
Los especialistas aguardan ahora futuros experimentos que determinen las propiedades específicas del recién descubierto estado líquido, tales como viscosidad, temperatura, capacidad de calor, etc.
El experimento ha sido conducido por 460 físicos de 57 instituciones de investigación en 12 países y ha reunido a físicos de Brasil, China, Francia, Alemania, Hungría, India, Israel, Japón, Corea del Sur, Rusia, Suecia y Estados Unidos.
Wednesday, January 25th, 2012,
by Manuel and is filed under "Agujeros Negros, Astrofisica, Astronomia, Ciencia, Cosmologia, Fisica, Fisica de Particulas, Science, Universo |
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