Utilizando datos in situ sin precedentes de la misión Cluster de la ESA, Los científicos han arrojado luz sobre la naturaleza cambiante del escudo de la Tierra contra la radiación cósmica, su arco de choque, revelando cómo este acelerador de partículas transfiere y redistribuye la energía en todo el espacio.

El nuevo estudio utilizó observaciones de dos de las cuatro naves espaciales de la misión Cluster, que voló en formación apretada a través del arco de choque de la Tierra, sentados a solo 7 kilómetros de distancia.

Los datos se recopilaron el 24 de enero de 2015 a una distancia de 90, 000 kilómetros de la Tierra, aproximadamente una cuarta parte del camino a la Luna, y revelan propiedades del arco de choque que antes no estaban claras debido a la falta de mediciones in situ tan poco espaciadas.

Cuando un flujo supersónico encuentra un obstáculo, se forma una conmoción. Esto se ve a menudo en el universo alrededor de las estrellas, restos de supernova, cometas y planetas, incluido el nuestro. Se sabe que los choques son aceleradores de partículas muy eficientes, y potencialmente responsable de crear algunas de las partículas más energéticas del universo.

El impacto alrededor de la Tierra conocido como el arco de choque, es nuestra primera línea de defensa contra las partículas que fluyen hacia el interior desde el cosmos, y nuestro banco de pruebas más cercano para estudiar la dinámica de los choques de plasma. Existe debido a lo alto, velocidades supersónicas de las partículas del viento solar, que crean un fenómeno similar a la onda de choque que se forma cuando un avión rompe la barrera de la velocidad del sonido.

El nuevo estudio, publicado hoy en Avances de la ciencia , revela los mecanismos en juego cuando este choque transfiere energía de un tipo a otro.

"El arco de choque de la Tierra es un laboratorio de choque natural e ideal, "dice el autor principal Andrew Dimmock del Instituto Sueco de Física Espacial en Uppsala, Suecia.

"Gracias a misiones como Cluster, podemos colocar varias naves espaciales dentro y alrededor de él, cubriendo escalas desde cientos hasta solo unos pocos kilómetros.

"Esto significa que podemos distinguir cómo cambia el impacto en el espacio y con el tiempo, algo que es crucial a la hora de caracterizar un shock de este tipo ".

Hay varios tipos de shock, definido por las formas en que transfieren la energía cinética a otros tipos de energía. En la atmósfera de la Tierra, La energía cinética se transforma en calor cuando las partículas chocan entre sí, pero las grandes distancias en juego en el arco de choque de nuestro planeta significan que las colisiones de partículas no pueden desempeñar un papel tan importante en la transferencia de energía allí. ya que simplemente están demasiado separados.

Por lo tanto, este tipo de choque se conoce como choque sin colisión. Dichos choques pueden existir en una amplia gama de escalas, desde milímetros hasta el tamaño de un cúmulo de galaxias, y en su lugar transfieren energía a través de procesos que involucran ondas de plasma y campos eléctricos y magnéticos.

"Además de no tener colisiones, El arco de choque de la Tierra también puede ser no estacionario, "agrega el coautor Michael Balikhin de la Universidad de Sheffield, REINO UNIDO.

"En cierto sentido, se comporta como una ola en el mar:cuando una ola se acerca a la playa, parece crecer de tamaño a medida que disminuye la profundidad, hasta que se rompe, esto se debe a que la cresta de la ola se mueve más rápido que la depresión, haciendo que se doble y se rompa.

"Este tipo de 'ruptura' ocurre con ondas de plasma, también, aunque la física es algo más complicada ".

Para investigar en detalle las escalas físicas en las que se inicia esta ruptura de olas, algo que antes se desconocía, los investigadores solicitaron una campaña especial en la que dos de las cuatro sondas Cluster se movieron a una separación sin precedentes de menos de 7 km. recopilar datos de alta resolución desde el interior del choque mismo.

Analizando los datos, el equipo descubrió que las medidas del campo magnético obtenidas por las dos naves espaciales Cluster diferían significativamente. Esta evidencia directa de que existen estructuras de campo magnético a pequeña escala dentro de la extensión más amplia del arco de choque indica que son clave para facilitar la ruptura de las ondas de plasma. y así la transferencia de energía, en esta porción de la magnetosfera.

Con tamaños de unos pocos kilómetros, similar a las escalas en las que los electrones giran alrededor de las líneas del campo magnético, estas estructuras están ubicadas en una parte particularmente delgada y variable del choque, donde las propiedades del plasma constituyente y los campos circundantes pueden cambiar de manera más drástica.

"Esta parte del arco de choque se conoce como rampa de choque, y puede ser tan delgado como unos pocos kilómetros, un hallazgo que también se basó en datos de Cluster hace unos años, "dice el coautor Philippe Escoubet, quien también es científico del proyecto de la ESA para la misión Cluster.

Lanzado en 2000, Las cuatro naves espaciales del cúmulo vuelan en formación alrededor de la Tierra, convirtiéndola en la primera misión espacial capaz de estudiar, en tres dimensiones, los procesos físicos que ocurren dentro y en las proximidades del entorno magnético de la Tierra.

"Este tipo de estudio muestra realmente la importancia de Cluster como misión, ", agrega Escoubet." Al lograr separaciones de naves espaciales increíblemente pequeñas, siete kilómetros como se usa en este estudio e incluso más pequeñas, Hasta solo tres kilómetros:Cluster nos permite sondear el entorno magnético de nuestro planeta a las escalas más pequeñas jamás logradas.

"Esto mejora nuestra comprensión del arco de choque de la Tierra y cómo actúa como un acelerador de partículas gigantes, algo que es clave en nuestro conocimiento del universo de alta energía".