Los electrones pueden alcanzar energías ultrarrelativistas -que se aproximan a la velocidad de la luz- para condiciones especiales en la magnetosfera terrestres cuando el espacio está desprovisto de plasma. Foto la hora: INGO MICHAELIS Y YURI SHPRITS GF / Europa Press/dpa

MADRID
Agencia dpa/(Europa Press) –

Los electrones pueden alcanzar energías ultrarrelativistas -que se aproximan a la velocidad de la luz- para condiciones especiales en la magnetosfera terrestres cuando el espacio está desprovisto de plasma.

Mediciones recientes de la Van Allen Probes de la NASA analizadas en el Centro Alemán de Investigación de Geociencias (GDZ) han revelado bajo qué condiciones ocurren estas fuertes aceleraciones.

Ya habían demostrado en 2020 que durante las tormentas solares, las ondas de plasma juegan un papel crucial para eso. Sin embargo, anteriormente no estaba claro por qué no se logran energías de electrones tan altas en todas las tormentas solares. En la revista Science Advances, los investigadores ahora muestran que los agotamientos extremos de la densidad del plasma de fondo son cruciales.

A energías ultrarrelativistas, los electrones se mueven casi a la velocidad de la luz. Entonces las leyes de la relatividad se vuelven más importantes. La masa de las partículas aumenta en un factor diez, el tiempo se ralentiza y la distancia disminuye. Con energías tan altas, las partículas cargadas se vuelven más peligrosas incluso para los satélites mejor protegidos. Como casi ningún blindaje puede detenerlos, su carga puede destruir dispositivos electrónicos sensibles. Por lo tanto, predecir su ocurrencia, por ejemplo, como parte de las observaciones del clima espacial, es muy importante para la infraestructura moderna.

Para investigar las condiciones de las enormes aceleraciones de los electrones, Hayley Allison y Yuri Shprits utilizaron datos de una misión gemela, Van Allen Probes, que la agencia espacial estadounidense NASA había lanzado en 2012. El objetivo era realizar mediciones detalladas de la radiación. cinturón, el llamado cinturón de Van Allen, que rodea la Tierra en forma de rosquilla en el espacio terrestre.

Aquí, como en el resto del espacio, una mezcla de partículas cargadas positiva y negativamente forma el llamado plasma. Las ondas de plasma pueden entenderse como fluctuaciones del campo eléctrico y magnético, excitadas por tormentas solares. Son una fuerza impulsora importante para la aceleración de electrones.

Durante la misión se observaron tanto tormentas solares que producían electrones ultrarrelativistas como tormentas sin este efecto. La densidad del plasma de fondo resultó ser un factor decisivo para la fuerte aceleración: se observó que los electrones con las energías ultrarrelativistas solo aumentaban cuando la densidad del plasma descendía a valores muy bajos de solo unas diez partículas por centímetro cúbico, mientras que normalmente dicha densidad es de cinco a diez veces mayor.

Usando un modelo numérico que incorporó un agotamiento de plasma tan extremo, los autores demostraron que los períodos de baja densidad crean condiciones preferenciales para la aceleración de los electrones, desde unos pocos cientos de miles iniciales hasta más de siete millones de electronvoltios. Para analizar los datos de las sondas de Van Allen, los investigadores utilizaron métodos de aprendizaje automático. Permitieron a los autores inferir la densidad plasmática total a partir de las fluctuaciones medidas del campo eléctrico y magnético.

«Este estudio muestra que los electrones en el cinturón de radiación de la Tierra pueden acelerarse rápidamente a nivel local a energías ultrarrelativistas, si las condiciones del entorno del plasma (ondas de plasma y densidad de plasma temporalmente baja) son correctas. Se puede considerar que las partículas surfean en plasma En regiones de densidad de plasma extremadamente baja, pueden tomar mucha energía de las ondas de plasma. Mecanismos similares pueden estar funcionando en las magnetosferas de los planetas exteriores como Júpiter o Saturno y en otros objetos astrofísicos», dice en un comunicado Yuri Shprits, jefe de la sección en GFZ de Física espacial y clima espacial y profesor en la Universidad de Potsdam.

«Por lo tanto, para alcanzar energías tan extremas, no se necesita un proceso de aceleración de dos etapas, como se suponía desde hace mucho tiempo: primero desde la región exterior de la magnetosfera hasta la cinturón y luego adentro. Esto también respalda los resultados de nuestra investigación del año pasado», agrega Hayley Allison, PostDoc en la Sección de Física espacial y clima espacial.

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