Las Sondas Van Allen de la NASA descubren electrones realtivistas

Sosteniendo un modelo del satélite Explorer I en la celebración después de su exitosa órbita : (de izquierda a derecha) William H. Pickering, ex director del JPL, que construyó y operó el satélite; James A. Van Allen, centro, de la Universidad Estatal de Iowa, que había diseñado y construido el instrumento Explorer para detectar la radiación que rodea a la Tierra; y a la derecha, Wernher von Braun, líder del equipo del Arsenal de Cohetes Redstone del Ejército de los Estados Unidos. Más información aquí. Créditos: NASA / JPL

Los Cinturones de Radiación de la Tierra, dos regiones en forma de rosquilla, de partículas cargadas que rodean nuestro planeta, fueron descubiertos hace más de 50 años, pero su comportamiento aún no se comprende por completo. Ahora, las nuevas observaciones  de la misión de las Sondas Van Allen  de la NASA muestran que los electrones más energéticos, más rápidos del Cinturón de Radiación Interior no están presentes  durante gran parte del tiempo, contrariamente a lo que se pensaba anteriormente. Los resultados se presentan en un artículo en el Journal of Geophysical Research y demuestran que no existe por lo general  tanta radiación en el Cinturón Interior como se suponía anteriormente – una buena noticia para las naves espaciales que vuelan en la región.

Desde su descubrimiento en los albores de la era espacial, los Cinturones de Radiación de la Tierra continúan revelando nuevas estructuras y comportamientos complejos. Ver animación aquí.
Durante un evento particularmente intenso a finales de Junio del 2015, el borde interior de la región de electrones atrapados se acercó a la Tierra. Los electrones de interés, tienen energías de más de un millón de electrón-voltios (ver Wikipedia ). A medida que la región se retiró hacia el exterior, dejó atrás una población de electrones de alta energía que forman otro cinturón de radiación dentro de la   L = 2 shell (el valor de ‘L-shell‘ identifica una cáscara de líneas de campo en un dipolo magnético. El valor numérico corresponde a la más lejana distancia de la Tierra medida en radios Terrestres, en este caso dos radios terrestres). Este flujo de electrones de alta energía persistió mucho más tiempo de lo esperado, los electrones relativistas lentamente se fugaron de la zona (ver figura abajo). Se tardó más de un año para que el flujo de electrones relativistas en el Cinturón disminuyera por debajo del nivel de detectabilidad de los instrumentos en las sondas de Van Allen.                                                                                                                           Crédito: NASA Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, Seth Claudepierre, Mara Johnson-Groh.

Las misiones espaciales anteriores no habían sido capaces de distinguir los electrones, de los protones de alta energía en el Cinturón Interior de Radiación. Sin embargo, mediante el uso de un instrumento especial, el Espectrómetro Magnético de Electrones e Iones – MagEIS – en las sondas de Van Allen, los científicos pudieron observar por primera vez las partículas por separado . Lo que encontraron fue sorprendente -no se encuentran por lo general  estos electrones súper rápidos, conocidos como electrones relativistas, en el Cinturón Interior, al contrario de lo que los científicos esperaban.

“Hemos sabido durante mucho tiempo que existen allí, estos protones muy energéticos  que pueden contaminar las mediciones, pero nunca hemos tenido una buena manera hasta ahora de sacarlos de las mediciones”, dijo Seth Claudepierre, autor principal y científico de las  Sondas  Van Allen, en la Corporación Aeroespacial en El Segundo, California.

De los dos Cinturones de Radiación, los científicos han entendido desde hace tiempo que el Cinturón Exterior es el más agitado. Durante las tormentas geomagnéticas intensas, cuando las partículas cargadas procedentes del Sol se lanzan a través del Sistema Solar, el Cinturón de Radiación Exterior pulsa de forma espectacular, creciendo y contrayéndose en respuesta a la presión de las partículas solares y al campo magnético. Mientras tanto, el Cinturón Interior mantiene una posición estable sobre la superficie de la Tierra. Los nuevos resultados, sin embargo, muestran que la composición de la Cinta Interior no es tan constante como los científicos habían asumido.

Ordinariamente, la Cinta Interna se compone de protones de alta energía y electrones de baja energía. Sin embargo, después de una fuerte tormenta geomagnética en junio del 2015, los electrones relativistas fueron empujados profundamente en el Cinturón Interior.

Los resultados fueron visibles debido a la forma en que MagEIS fue diseñado. El instrumento crea su propio campo magnético interno, lo que le permite ordenar las partículas en función de su carga y energía. Mediante la separación de los electrones de los protones, los científicos pudieron entender cuáles partículas estaban contribuyendo a la población de partículas en el Cinturón Interior.

“Cuando procesamos cuidadosamente los datos y eliminamos la contaminación, podemos ver cosas que nunca habíamos podido ver antes,” dijo Claudepierre . “Estos resultados están cambiando totalmente la forma en que pensamos sobre el Cinturón de Radiación en estas energías.”

Durante una fuerte tormenta geomagnética, electrones a energías relativistas, que normalmente sólo se encuentran en el Cinturón de Radiación Exterior, son empujados cerca de la Tierra y pueblan el Cinturón Interior. Mientras que los electrones en la región de ranura decaen rápidamente, los electrones del Cinturón Interior pueden permanecer durante muchos meses.
Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Mary Pat Hrybyk-Keith.
Dada la rareza de las tormentas que pueden inyectar electrones relativistas en el Cinturón Interior, los científicos entienden ahora que allí los niveles de radiación son típicamente más bajos,  un resultado que tiene implicaciones para las naves espaciales que vuelan en la región. Saber exactamente la cantidad de radiación que está presente puede permitir a los científicos e ingenieros diseñar satélites más ligeros y más baratos adaptados para soportar los niveles de radiación de menor intensidad que se les presenten.
Además de proporcionar una nueva perspectiva de diseño de naves espaciales, los resultados abren un nuevo campo de estudio para los científicos.
“Esto abre la posibilidad de hacer ciencia que antes no era posible”, dijo Sri Kanekal,  Científico Adjunto de la misión de las Sondas Van Allen del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, que no participó en el estudio. “Por ejemplo, ahora podemos investigar en qué circunstancias estos electrones penetran en la zona interior y ver si las tormentas geomagnéticas más intensas dan electrones que son  más enérgéticos”.
Las Sondas  Van Allen constituyen la segunda misión de la NASA del Programa “Viviendo con una Estrella” y una de las muchas misiones de la NASA que estudian Heliofísica y  el entorno cercano a la Tierra. Estas naves esapciales se “zambuyen” a través de los Cinturones de Radiación, de cinco a seis veces por día en una órbita altamente elíptica, con el fin de entender los procesos físicos que agregan y quitan los electrones de la región.

animation depicting orbits of Van Allen Probes and a modeled storm

A la Izquierda: Las Sondas gemelas Van Allen  orbitan uno detrás de la otra, lo que permite investigar pistas en una forma que una sóla nave espacial no podría. En este modelo, la nave espacial  que va en “la cola” vio un aumento de partículas de oxígeno inyectado (azul), que  no fueron observadas por la primera. El aumento de partículas era debido a un frente de tormenta geomagnética que se movía a través de la trayectoria de la órbita después de que la primera nave espacial pasó. Obsérvense las órbitas marcadamente elípticas de las naves.  Más información aquí. Créditos: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA / Mike Henderson / Joy Ng, Productor.

Fuente del artículo: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA , en Greenbelt, Maryland.   Artículo original: “Relativistic Electrons Uncovered with NASA’s Van Allen Probes“,por Mara Johnson-Groh.

Material realcionado:

      Colecciones de artículos sobre los Cinturones de Van Allen en los principales medios:

        Papers:

       Libros y capítulos de libros:

 

Videos: