Un nuevo estudio descubrió que los electrones pueden alcanzar energías ultrarrelativistas para condiciones muy especiales en la magnetosfera cuando el espacio está desprovisto de plasma.

Las mediciones recientes de la nave espacial Van Allen Probes de la NASA mostraron que los electrones pueden alcanzar energías ultrarrelativistas volando casi a la velocidad de la luz. Hayley Allison, Yuri Shprits y colaboradores del Centro Alemán de Investigación de Geociencias han revelado bajo qué condiciones ocurren estas fuertes aceleraciones. Ya habían demostrado en 2020 que durante la tormenta solar 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 el diario Avances de la ciencia , Allison, Shprits y sus colegas ahora muestran que las reducciones extremas de la densidad del plasma de fondo son cruciales.

Electrones ultrarrelativistas en el espacio

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 tan altas energías, las partículas cargadas se vuelven más peligrosas incluso para los satélites mejor protegidos. Como casi ningún escudo puede detenerlos, su carga puede destruir la electrónica sensible. Predecir su ocurrencia, por ejemplo, como parte de las observaciones del clima espacial practicadas en la ZFG, es por lo tanto muy importante para la infraestructura moderna.

Para investigar las condiciones de las enormes aceleraciones de los electrones, Allison y Shprits utilizaron datos de una misión gemela, las sondas de Van Allen, que la agencia espacial estadounidense NASA había lanzado en 2012. El objetivo era realizar mediciones detalladas en el cinturón de radiación, 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 un llamado plasma. Las ondas de plasma pueden entenderse como fluctuaciones del campo eléctrico y magnético, excitado por las tormentas solares. Son una fuerza impulsora importante para la aceleración de electrones.

Análisis de datos con aprendizaje automático

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 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, cuyo desarrollo fue financiado por la red GEO.X. Permitieron a los autores inferir la densidad plasmática total a partir de las fluctuaciones medidas del campo eléctrico y magnético.

El papel crucial del plasma

"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 plasmática temporalmente baja) son correctas. Se puede considerar que las partículas surfean en ondas de 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 Yuri Shprits, jefe de la sección GFZ Física espacial y meteorología 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 hacia el cinturón y luego hacia el interior. Esto también respalda los resultados de nuestra investigación del año pasado, "agrega Hayley Allison, Postdoctorado en la Sección Física espacial y clima espacial.