On the contribution of galaxies to the magnetic field in cosmic voids

Resumen Técnico: Sobre la Contribución de las Galaxias al Campo Magnético en Vacíos Cósmicos

Planteamiento del Problema
El origen de los campos magnéticos en los vacíos cósmicos sigue siendo una pregunta abierta significativa en cosmología. Mientras que los límites superiores para los campos magnéticos primordiales que llenan el espacio están restringidos por el fondo cósmico de microondas ($\lesssim 1$ nG) y las desviaciones de rayos cósmicos de ultraalta energía ($\lesssim 10^{-10}$ G), los límites inferiores observacionales derivados de datos de cascadas de rayos $\gamma$ (específicamente retrasos temporales, ensanchamiento angular y cambios espectrales de blázares) sugieren intensidades de campo en el rango de $B \gtrsim 10^{-17}$ G. Una pregunta central es si estos límites inferiores observados pueden explicarse mediante procesos puramente astrofísicos, como la superposición de dipolos magnéticos de galaxias individuales, o si requieren un origen primordial. Alegaciones recientes sugirieron que la superposición de dipolos galácticos podría explicar estos campos sin invocar semillas primordiales, siempre que se utilice una aproximación magnetostática en el vacío. Sin embargo, este enfoque descuida los efectos de apantallamiento del plasma intergaláctico altamente ionizado que permea el Universo.

Metodología
Los autores proporcionan una descripción cualitativa del apantallamiento de campos magnéticos por plasmas intergalácticos para probar la viabilidad de la hipótesis de superposición de dipolos galácticos. El análisis procede a través de los siguientes pasos:

1. Ecuación de Evolución: El estudio utiliza la ecuación de evolución para campos magnéticos en plasmas donde el flujo del plasma se descuida (una primera aproximación razonable para medios intergalácticos no relativistas). En el espacio de Fourier, la ecuación tiene en cuenta la expansión de Hubble, la resistividad ($\eta$) y el campo vectorial de magnetización ($M_\perp$).
2. Aproximaciones Analíticas: Para resolver la ecuación de evolución, los autores introducen tres suposiciones clave:
   • Escala de Resistividad: La resistividad sigue una ley de potencia dependiente de la temperatura ($\eta \propto T^{-n_\eta}$), que se traduce a una dependencia del corrimiento al rojo. La resistividad de Spitzer se utiliza como un ejemplo específico.
   • Era Cosmológica: Se asume que el Universo está en una era dominada por un solo componente (materia o energía oscura), definiendo el parámetro de Hubble $H(z)$.
   • Escala de Magnetización: La magnetización se aproxima para escalar como $(1+z)^2$, consistente con la escala de la densidad de energía magnética.
3. Derivación de la Longitud de Apantallamiento: Utilizando estas suposiciones, los autores derivan un número de onda crítico $k_r(z)$ y la correspondiente longitud de apantallamiento magnético $l_{r,0} = 2\pi/k_{r,0}$. Esta escala de longitud determina la distancia sobre la cual los campos magnéticos pueden propagarse antes de ser suprimidos por efectos del plasma.
4. Cálculo del Campo: Los autores calculan el campo magnético apantallado tanto en el espacio de Fourier como en el espacio directo. Derivan el campo de un solo dipolo apantallado y luego estiman la intensidad del campo colectivo en un vacío sumando las contribuciones de numerosas galaxias modeladas como dipolos.

Contribuciones y Resultados Clave
La contribución principal del artículo es la demostración de que el apantallamiento por plasma intergaláctico suprime drásticamente los campos magnéticos generados por dipolos galácticos a distancias cosmológicas.

• Escala de Apantallamiento: Para parámetros de plasma realistas (por ejemplo, resistividad de Spitzer en un plasma no relativista con $T_{e,0} \approx 10$ eV en un universo dominado por materia), la longitud de apantallamiento se calcula en $l_{r,0} \approx 2 \times 10^{-4}$ pc. Esto es varios órdenes de magnitud menor que el tamaño típico de un vacío cósmico ($l_{void} \sim 1$ Mpc).
• Mecanismo de Supresión:
  • En el espacio de Fourier, el campo magnético $B_k$ exhibe una supresión de $(k/k_{r,0})^2$ para modos de bajo $k$ (grandes distancias), donde $k \ll k_{r,0}$.
  • En el espacio real, el campo de un dipolo apantallado mantiene su forma de vacío solo a distancias $r \ll l_{r,0}$. Para distancias $r \gg l_{r,0}$, el campo decae exponencialmente como $\sim (r/l_{r,0})^3 e^{-r^2/4l_{r,0}^2}$.
• Estimación Cuantitativa: Aplicando esto a un vacío de radio $r_{void} \sim 20$ Mpc, el campo magnético colectivo de las galaxias se estima en $B_{void} \approx (10^{-5} \text{ G}) \times e^{-r_{void}^2/4l_{r,0}^2}$. Dada la diminuta longitud de apantallamiento, el campo resultante está suprimido exponencialmente a valores muy por debajo de $10^{-17}$ G.
• Comparación con Observaciones: Para reproducir los límites inferiores observacionales de $B \sim 10^{-16}$ G mediante dipolos galácticos, se requeriría una longitud de apantallamiento del orden de $l_{r,0} \approx 2$ Mpc. Los autores argumentan que tal valor es astrofísicamente improbable para plasmas intergalácticos.

Significado y Alegaciones
El artículo concluye que la hipótesis de explicar los campos magnéticos de los vacíos cósmicos únicamente a través de la superposición de dipolos galácticos estáticos es insostenible debido al apantallamiento por plasma. Los autores declaran que:

• Las contribuciones de la superposición de dipolos estáticos están "altamente suprimidas" y "no pueden explicar las indicaciones de límites inferiores basadas en observaciones de cascadas de rayos $\gamma$".
• La intensidad del campo resultante de fuentes galácticas queda muy por debajo de los límites inferiores observados por "muchos órdenes de magnitud".
• Aunque el cálculo es un "argumento simplificado", descarta efectivamente la explicación simple de campos galácticos para los campos observados en los vacíos.
• Los autores señalan que otros mecanismos, como flujos magnetizados desde estructuras a gran escala o inestabilidades del plasma (que no son el foco de este cálculo específico), aún podrían desempeñar un papel, pero el mecanismo específico de superposición de dipolos estáticos es insuficiente.

El trabajo sirve como un contraargumento crítico a alegaciones recientes que sugieren un origen puramente astrofísico, no primordial, para los campos magnéticos de los vacíos mediante superposición de dipolos, reforzando la necesidad de considerar orígenes primordiales o mecanismos de transporte astrofísico más complejos.