Los científicos están un paso más cerca de comprender cómo las ondas de choque sin colisión, que se encuentran en todo el universo, son capaces de acelerar partículas a velocidades extremas.
Estas ondas de choque son uno de los aceleradores de partículas más poderosos de la naturaleza y han fascinado durante mucho tiempo a los científicos por su papel en la producción de rayos cósmicos: partículas de alta energía que viajan grandes distancias a través del espacio.
La investigación se publica hoy. Comunicaciones de la naturalezacombina observaciones satelitales de las misiones MMS (Magnetospheric Multiscale) y THEMIS/ARTEMIS de la NASA con avances teóricos recientes, para presentar un nuevo modelo integral para describir la aceleración de los electrones en un entorno de choque sin colisiones.
Disertación, ‘Revelando un umbral de inyección de electrones inesperadamente bajo mediante aceleración de choque reforzada’, Fue escrito por un equipo de académicos internacionales, dirigido por el Dr. Savvas Raptis del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, EE. UU., y con el apoyo del Dr. Ahmed Lalti de la Universidad de Northumbria.
La investigación resuelve un antiguo enigma en astrofísica: cómo los electrones alcanzan niveles de energía extremadamente altos o relativistas.
Durante décadas, los científicos han intentado responder una pregunta clave en la física espacial: ¿Qué procesos permiten que los electrones aceleren a velocidades relativistas?
El mecanismo básico para describir la aceleración de los electrones en relación con sus energías se llama aceleración de Fermi o aceleración de choque difusivo (DSA). Sin embargo, este método requiere que los electrones se exciten inicialmente a un cierto rango de energía antes de que el DSA pueda acelerarlos de manera efectiva. Tratar de resolver cómo los electrones obtienen esta energía inicial se conoce como “problema de inyección”.
Este nuevo estudio proporciona información clave sobre el problema de la inyección de electrones y muestra que los electrones pueden alcanzar altas energías mediante la interacción de diferentes procesos a múltiples escalas.
Utilizando datos en tiempo real de la misión MMS, que mide la interacción de la magnetosfera de la Tierra con el viento solar, y la misión THEMIS/ARTEMIS, que estudia el entorno de plasma aguas arriba cerca de la Luna, el equipo de investigación observó una escala temporal a gran escala. Evento dependiente (es decir, transitorio), aguas arriba del arco de choque de la Tierra el 17 de diciembre de 2017.
Durante este evento, los electrones en la región previa al choque de la Tierra, una región donde el viento solar se ve perturbado por las interacciones con el arco de choque, alcanzaron niveles de energía sin precedentes, superando los 500 keV.
Este es un resultado sorprendente dado que los electrones observados en la región previa al choque generalmente se encuentran a energías de aproximadamente 1 keV.
La investigación muestra que estos electrones de alta energía fueron producidos por una interacción compleja 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.
Todos estos mecanismos trabajan juntos para acelerar electrones desde energías bajas, aproximadamente 1 keV, hasta energías relativistas que alcanzan los 500 keV observados, lo que resulta en procesos de aceleración de electrones particularmente eficientes.
Al mejorar el modelo de aceleración de impactos, este estudio proporciona nuevos conocimientos sobre el funcionamiento de los plasmas espaciales y los procesos fundamentales que rigen la transferencia de energía en el Universo.
Como resultado, la investigación abre nuevas vías para comprender la creación de los rayos cósmicos y ofrece una idea de cómo los fenómenos dentro de nuestro sistema solar pueden guiar nuestra comprensión de los procesos astrofísicos en el universo.
El Dr. Repats cree que el estudio de los fenómenos a diferentes escalas es fundamental para comprender la naturaleza. “La mayor parte de nuestra investigación se centra en efectos a pequeña escala, como las interacciones onda-partícula, o en propiedades a gran escala, como los efectos del viento solar”, afirma.
“Sin embargo, como demostramos en este trabajo, al combinar fenómenos a diferentes escalas, pudimos observar sus interacciones que, en última instancia, energizan las partículas en el espacio”.
El Dr. Ahmed Lalati añadió: “Una de las formas más efectivas de profundizar nuestra comprensión del universo en el que vivimos es utilizar nuestro entorno de plasma cercano a la Tierra como laboratorio natural.
“En este trabajo, utilizamos MMS y observaciones internas de THEMIS/ARTEMIS para mostrar cómo los diversos procesos fundamentales del plasma en diferentes escalas impulsan a los electrones desde energías bajas a energías relativistas altas.
“Esos procesos fundamentales no se limitan a nuestro sistema solar y se espera que ocurran en todo el universo.
“Esto amplía nuestro marco propuesto para comprender mejor los rayos cósmicos de estructuras astrofísicas a años luz de nuestro Sistema Solar, como otros sistemas estelares, restos de supernovas y energías de rayos cósmicos en núcleos galácticos activos. Lo hace relevante”.
