Desde hace décadas, los astrofísicos se enfrentan a la peliaguda cuestión de explicar cómo es posible que, en el espacio, partículas como los electrones consigan acelerar a velocidades increíbles, incluso cercanas a la de la luz, adquiriendo altísimos niveles de energía. ¿Qué tipo de procesos o de fenómenos permite que un simple electrón acelere hasta alcanzar velocidades relativistas?Bajo la dirección del astrofísico Sawas Raptis, de la universidad norteamericana John Hopkins, un equipo internacional de investigadores acaba acercarse a la respuesta, dando un gran paso en la comprensión de los que son los mayores aceleradores de partículas que existen en la naturaleza: las ondas de choque que llenan el Universo y de las que sabemos que juegan un importante papel en la generación de rayos cósmicos , partículas de altísimas energías que recorren enormes distancias a través del espacio y que continuamente llegan hasta la Tierra.El estudio, recién publicado en ‘Nature Communications’, se ha hecho en el entorno de la Tierra, y combina las observaciones directas de las misiones MMS (Magnetospheric Multiscale) y THEMIS/ARTEMIS de la NASA con avances teóricos recientes. El resultado es un nuevo modelo integral que es capaz de explicar la aceleración de los electrones en estas ondas de choque en cualquier parte del Universo.Noticia Relacionada estandar Si Detectan el impacto de los rayos cósmicos más energéticos nunca observados, y su fuente está cerca de la Tierra José Manuel Nieves Los investigadores piensan que proceden, como máximo, de unas 1.000 años luz, una distancia muy pequeña en comparación con el tamaño de nuestra galaxiaPartículas a toda velocidadEl principal mecanismo para explicar la aceleración de electrones a energías relativistas se llama ‘aceleración de Fermi’ o aceleración de choque difusivo (DSA). Sin embargo, el mecanismo requiere que, previamente, los electrones se activen hasta un umbral de energía específico. Tratar de entender cómo los electrones alcanzan esa necesaria energía inicial se conoce como ‘el problema de la inyección’. El nuevo estudio soluciona en gran medida la cuestión, y muestra que los electrones pueden acelerarse a altas energías gracias a la suma de varios procesos y en múltiples escalas.Utilizando datos en tiempo real de la misión MMS, que mide la interacción de la magnetosfera de la Tierra con las partículas del viento solar, y la misión THEMIS/ARTEMIS, que estudia el entorno de plasma cerca de la Luna, el 17 de diciembre de 2017 se observó un gran arco de choque transitorio de partículas.Durante aquel evento, los electrones en la región previa al choque con la Tierra (un área donde el viento solar se ve previamente perturbado por su interacción con el arco de choque) alcanzaron niveles de energía sin precedentes, superando los 500 keV, un resultado sorprendente si tenemos en cuenta que los electrones observados en la región previa al choque generalmente se encuentran a energías de aproximadamente 1 keV.En la ilustración, el campo magnético y el arco de choque de la Tierra. Las partículas procedentes del Sol interactúan con el campo magnético terrestre formando una onda de choque (llamada arco de choque, que se muestra en rojo) Mark Garlick/Science Photo Library via Getty ImagesMúltiples mecanismosAhora, el nuevo estudio sugiere que aquellos electrones de alta energía fueron generados por la compleja interacción de múltiples mecanismos de aceleración, incluida la interacción de los electrones con varias ondas de plasma, estructuras transitorias en el choque previo y el arco de choque de la Tierra.En aquel momento, ya se vio que todos esos mecanismos actuaron juntos para acelerar electrones desde energías bajas ~ 1 keV hasta energías relativistas que alcanzan los 500 keV observados, lo que resultó en un proceso de aceleración de electrones extraordinariamente eficiente. Pero sólo ahora, al perfeccionar el modelo de aceleración de choque, el nuevo estudio aclara el funcionamiento de los plasmas espaciales y los procesos fundamentales que gobiernan la transferencia de energía en el Universo.Por lo tanto, la investigación abre nuevos caminos para comprender cómo se generan los rayos cósmicos, y demuestra también cómo los fenómenos dentro de nuestro propio Sistema Solar pueden guiarnos para comprender lo que sucede en el resto del Universo.Raptis cree que estudiar los fenómenos en diferentes escalas es crucial para entender a la naturaleza. «La mayor parte de nuestra investigación -afirma- se centra en efectos a pequeña escala, como las interacciones onda-partícula, o en propiedades a gran escala, como la influencia del viento solar. Sin embargo, como demostramos en este trabajo, al combinar fenómenos en diferentes escalas, pudimos observar su interacción que, en última instancia, energiza las partículas en el espacio».En palabras del coautor Ahmad Lalti, de la Universidad de Northumbria, «una de las formas más efectivas de profundizar nuestra comprensión del Universo en el que vivimos es utilizar el entorno de plasma cercano a la Tierra como laboratorio natural. En este trabajo, utilizamos la observación in situ de MMS y THEMIS/ARTEMIS para mostrar cómo diferentes procesos fundamentales del plasma a diferentes escalas funcionan en conjunto para energizar electrones desde energías bajas hasta energías relativistas altas».MÁS INFORMACIÓN noticia Si Las inexplicables estructuras bajo el Pacífico noticia No Nuevo intento de Elon Musk para volar su megacohete Starship«Pero esos procesos fundamentales -prosigue el investigador- no se limitan a nuestro Sistema Solar y se espera que ocurran en todo el Universo. Lo que hace que nuestro estudio sea relevante para comprender mejor la aceleración de los electrones hasta las energías de los rayos cósmicos en estructuras astrofísicas a años luz de nuestro Sistema Solar, como en otros sistemas estelares, restos de supernovas y núcleos galácticos activos».
Leave a Reply