Más cerca de comprender los aceleradores cósmicos de partículas

Científicos han dado un paso más hacia la comprensión de cómo las ondas de choque sin colisión, que se encuentran por todo el universo, son capaces de acelerar partículas a velocidades extremas.

Estas ondas de choque son uno de los aceleradores de partículas más potentes de la naturaleza y han intrigado a los científicos durante mucho tiempo por el papel que desempeñan en la producción de rayos cósmicos, partículas de alta energía que viajan a través de grandes distancias en el espacio.

La investigación, publicada en Nature Communications, combina observaciones satelitales de las misiones MMS (Magnetospheric Multiscale) y THEMIS/ARTEMIS de la NASA con avances teóricos recientes, ofreciendo un nuevo modelo integral para explicar la aceleración de electrones en entornos de choque sin colisión

Esta investigación aborda un antiguo enigma de la astrofísica: cómo alcanzan los electrones niveles de energía extremadamente altos o relativistas.

Durante décadas, los científicos han intentado responder a una pregunta crucial en la física espacial: ¿qué procesos permiten acelerar los electrones hasta alcanzar velocidades relativistas?

El principal mecanismo para explicar la aceleración de los electrones hasta alcanzar energías relativistas se denomina aceleración de Fermi o aceleración por choque difusivo (DSA). Sin embargo, este mecanismo requiere que los electrones se energicen inicialmente hasta una energía umbral específica antes de que la DSA los acelere de manera eficiente. Intentar abordar cómo alcanzan los electrones esta energía inicial se conoce como "el problema de la inyección".

Este nuevo estudio proporciona información clave sobre el problema de la inyección de electrones, y muestra que los electrones pueden acelerarse hasta alcanzar altas energías mediante la interacción de varios procesos en 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 de la misión THEMIS/ARTEMIS, que estudia el entorno de plasma aguas arriba cerca de la Luna, el equipo de investigación observó un fenómeno a gran escala, dependiente del tiempo (es decir, transitorio), por encima del arco de choque de la Tierra, el 17 de diciembre de 2017.

Durante este evento, los electrones en la región del preshock de la Tierra (un área donde el viento solar se ve perturbado previamente por su interacción 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 del preshock se encuentran típicamente en energías de aproximadamente 1 keV, subrayan los autores.

Esta investigación sugiere que estos electrones de alta energía fueron generados por la interacción compleja de múltiples mecanismos de aceleración, incluida la interacción de los electrones con varias ondas de plasma, estructuras transitorias en el preshock y el arco de choque de la Tierra.

Todos estos mecanismos actúan juntos para acelerar los electrones desde energías bajas, de aproximadamente 1 keV, hasta energías relativistas que alcanzan los 500 keV observados, lo que da como resultado un proceso de aceleración de electrones particularmente eficiente.

Al refinar el modelo de aceleración de choque, este estudio proporciona una nueva perspectiva 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 nuevos caminos para comprender la generación de rayos cósmicos y ofrece una visión de cómo los fenómenos dentro de nuestro sistema solar pueden guiarnos para comprender los procesos astrofísicos en todo el universo.

El doctor Sawas Raptis del JHUAPL (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), autor principal del estudio, cree que estudiar los fenómenos en diferentes escalas es crucial para comprender la naturaleza. "La mayor parte de nuestra investigación se centra en los efectos a pequeña escala, como las interacciones onda-partícula, o en las propiedades a gran escala, como la influencia del viento solar", dijo en un comunicado.

"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".

El doctor Ahmad Lalti, de la Universidad de Northumbria y coautor de la investigación, añadió: "Una de las formas más eficaces de profundizar nuestra comprensión del universo en el que vivimos es utilizando nuestro entorno de plasma cercano a la Tierra como un 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 trabajan en conjunto para energizar electrones desde energías bajas hasta energías relativistas altas.

"Esos procesos fundamentales no se limitan a nuestro sistema solar y se espera que ocurran en todo el universo. Esto hace que nuestro marco propuesto sea relevante para comprender mejor la aceleración de electrones hasta energías de rayos cósmicos en estructuras astrofísicas a años luz de nuestro sistema solar, como en otros sistemas estelares, remanentes de supernovas y núcleos galácticos activos".