La NASA encuentra el inusual orígen de los electrones de alta energía.

 

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La Tierra está rodeada de una burbuja magnética gigante llamada magnetósfera. A medida que viajan por el espacio, un complejo sistema de partículas cargadas provenientes del Sol y estructuras magnéticas se apilan delante de ella. Los científicos desean entender mejor  esta área delante del arco de choque, conocida como foreshock (primer frente de choque),  ya que ella puede ayudar a explicar como la energía del resto del espacio hace su pasaje a través de esta frontera hacia la magnetósfera. Crédito: NASA/GSFC (Goddard Space Flight Center).

 

Alto sobre la superficie , el campo magnético de la Tierra deflecta constantemente partículas supersónicas provenientes del Sol. Estas partículas están distribuidas en las regiones inmediatamente afuera del campo magnético de la Tierra y algunas son reflejadas hacia una región turbulenta llamada foreshock. Nuevas observaciones de la misión THEMIS de la NASA (THEMIS es la abreviación en Inglés de “Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) muestran que esta región turbulenta puede acelerar a los electrones a velocidades que se aproximan a la de la luz. Estas partículas extremadamente rápidas han sido observadas en el espacio cercano a la Tierra y en muchos otros lugares en el Universo, pero los mecanismos que los aceleran no han sido entendidos concretamente.

Estos nuevos resultados proveen los primeros pasos hacia una respuesta, mientras a su vez plantean nuevas interrogantes. La investigación encuentra que los electrones pueden ser acelerados a velocidades extremadamente altas en una región próxima a la Tierra más lejana de ella de lo previamente supuesto posible, conduciendo a nuevas indagaciones acerca de qué es lo que causa la aceleración. Estos hallazgos pueden cambiar las teorías aceptadas sobre la manera en que los electrones pueden ser acelerados no solamente en shocks cerca de la Tierra sino también en todo el Universo. Comprendiendo mejor cómo las partículas son energizadas ayudará a los científicos e ingenieros a equipar debidamente a las naves espaciales y a los astronautas para enfrentar a estas partículas, que pueden causar un mal funcionamiento de los equipos y afectar a los viajeros espaciales.
“Esto afecta mucho a cualquier campo que trate con partículas de alta energía, desde el estudio de los rayos cósmicos a las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal, que tienen el potencial de dañar los satélites y afectar a los astronautas en una misión a Marte”, dijo Lynn Wilson, principal autor del estudio sobre estos resultados en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA en Greenbelt, Maryland.
Los resultados, publicados en Physical Review Letters, el 14 de Nov. del 2016, describen cómo tales partículas pueden acelerarse en regiones específicas inmediatamente más allá  del campo magnético terrestre. Usualmente, un flujo de partículas hacia la Tierra primero encuentra una región frontera como el frente o arco de choque, que forma una barrera protectora entre el viento solar, el flujo continuo y variable de  partículas cargadas fluyendo desde el Sol, y la Tierra. El campo magnético en el arco de choque enlentece las partículas, causando que la mayoría sean deflectadas fuera de la Tierra, aunque algunas son reflejadas hacia atrá en dirección al Sol.  Estas partículas reflejadas forman una región de electrones e iones llamada foreshock .
Algunas de esas partículas en la región del primer frente de choque (foreshock) son altamente energéticas, electrones e iones moviéndose muy rapidamente. Historicamente los científicos habían pensado en una manera para que esas partículas alcanzaran esas altas energías y es rebotando de un lado a otro a través del arco de choque (bowshock) , ganando una pequeña cantidad de energía extra en cada colisión. Sin embargo, las nuevas observaciones sugieren que las partículas pueden ganar energía también a través de actividad electromagnética en la misma región de foreshock.

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Esta visualización representa uno de los mecanismos tradicionales propuestos para acecelerar las partículas a través en forma casi instantánea (shock), llamado aceleración de deriva por shock. Los electrones (en color amarillo) y los protones (en azul) pueden verse moviendo en el área de colisión donde dos burbujas de plasma caliente chocan (línea roja vertical). Las flechas de color azul representan el campo magnético y las flechas en color verde claro, el campo eléctrico. Crédito: NASA Goddard’s Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman, visulizador de datos.Download this video in HD formats from NASA Goddard’s Scientific Visualization Studio.
Las observaciones que condujeron a este descubrimiento fueron realizadas desde uno de los satélites de la misión THEMIS- abreviación en Inglés de Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms. Los 5 satélites THEMIS orbitan la Tierra para estudiar cómo la magnetósfera del planeta captura y suelta la energía del viento solar, para poder entender qué es lo que inicia las tormentas geomagnéticas que causan las auroras. Las órbitas de los satélites THEMIS, los llevaban a través de la frontera de las regiones del foreshock. La misión primaria THEMIS concluyó con éxito en el 2010 y ahora dos de los satélites recogen datos en órbita alrrededor de la Luna.
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Esta imagen representa uno de los mecanismos tradicionales propuestos para acelerar  partículas en forma casi instantánea, llamada aceleración instantánea de deriva. Los electrones (amarillo) y los protones (azul) pueden verse moviendo en el área de colisión donde dos burbujas de plasma caliente colisionanan(línea roja vertical). Laa flechas azules representan el campo magnético y las flechas verdes claras, el campo eléctrico. Créditos: NASA Goddard’s Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman,visualizador de datos.
Operando entr el Sol y la Tierra, el satélite encuentra electrones acelerados a energías extremadamente altas. Las observaciones de estas aceleraciones duraron menos de un minuto, pero eran mucho mayores que la energía media de las partículas en la región, y más altas de las que pueden ser explicadas por colisiones solamente. Observaciones simultáneas desde los satélites Heliofísicos adicionales WIND and STEREO, mostraron que no se registraron  explosiones solares en ondas de radio u ondas de choque interplanetarias, concluyendo que los electrones de alta energía no se originaron de la actividad solar.
 “Este es un caso enigmático porque estamos viendo electrones energéticos donde se supone no deberían haber, y ningún modelo encaja con ellos,” dijo David Sibeck. coautor y científico del proyecto THEMIS en el Centro Goddard de la NASA. “Hay un vacío en nuestro conocimiento, algo básico está faltando”.
 Los electrones también pueden no haberse originado del arco de choque (bowshock), como se había pensado previamente. Si los electrones fuesen acelerados en el arco de choque, ellos tendrían una dirección de movimiento y ubicación preferencial, en línea con el campo magnético, y alejándose del arco de choque (bow shock) en una región pequeña y específica. No obstante, los electrones observados se movían en todas direcciones, n o solamente a lo largo de la líneas magnéticas. Adicionalmente, el arco de choque sólo puede producir energías de aproximadamente un décimo de la observada en los electrones. en cambio, las causa de la aceleración de los electrones se econtró que estaba dentro del mismo foreshock.
 Parece sugerir que cosas a escala muy pequeña están hacienco esto por que las cosas a gran escala no lo puedne explicar”, dijo Wilson.
 Las partículas de alta energía han sido observadas en la región de foreshock por más de 50 años, pero hasta ahora, nadie había visto que los electrones de alta energía se originasen en la región de foreshock. Esto es debido parcialmente a la pequeña escala de tiempo en que los electrones son acelerados, como observaciones previas han promediado durante varios minuos, lo cual puede haber ocultado algún evento. THEMIS reunió observaciones mucho más rapidamente, haciéndolo el único capaz de ver las partículas.
 A continuación los investigadores tienen la intención de obtener más observaciones con THEMIS.

 

 Fuente: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md .                           Artículo original: “NASA Finds Unusual Origins of High-Energy Electrons“
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