¿De dónde vienen las partículas de alta energía que ponen en peligro a los satélites, astronautas y aviones?
Durante décadas, los científicos han intentado resolver un problema espinoso relacionado con el clima espacial: en momentos impredecibles, partículas de alta energía bombardean la Tierra y los objetos fuera de la atmósfera terrestre con radiación que puede poner en peligro la vida de los astronautas y destruir la electrónica de los satélites. equipo. Estas oleadas pueden incluso desencadenar lluvias de radiación lo suficientemente fuertes como para alcanzar a los pasajeros de los aviones que vuelan sobre el Polo Norte. A pesar de los mejores esfuerzos de los científicos, sigue siendo difícil identificar un patrón claro de cómo y cuándo ocurrirán los brotes.
Esta semana, en un artículo en The Astrophysical Journal Letters, los autores Luca Comisso y Lorenzo Sironi del Departamento de Astronomía y el Laboratorio Astrofísico de Columbia utilizaron por primera vez supercomputadoras para simular cuándo y cómo nacen partículas de alta energía en entornos turbulentos como que en la atmósfera del sol. Esta nueva investigación allana el camino para predicciones más precisas de cuándo ocurrirán explosiones peligrosas de estas partículas.
«Esta nueva y emocionante investigación nos permitirá predecir mejor el origen de las partículas energéticas solares y mejorar los modelos para predecir eventos del clima espacial, un objetivo clave de la NASA y otras agencias espaciales y gobiernos de todo el mundo», dijo Comisso. Dentro de los próximos dos años, agregó, la sonda solar Parker de la NASA, la nave espacial más cercana al sol, podría validar los hallazgos del artículo al observar directamente la distribución de partículas prevista de energía generada en la atmósfera exterior del sol.
En su artículo, «Aceleración de iones y electrones en turbulencia de plasma completamente cinética», Comisso y Sironi demuestran que los campos magnéticos en la atmósfera exterior del sol pueden acelerar iones y electrones a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. La atmósfera exterior del sol y otras estrellas está formada por partículas en estado de plasma, un estado muy turbulento distinto de los estados líquido, gaseoso y sólido. Los científicos han creído durante mucho tiempo que el plasma del sol genera partículas de alta energía. Pero las partículas en el plasma se mueven de manera tan errática e impredecible que hasta ahora no han podido demostrar completamente cómo y cuándo sucede esto.
Usando supercomputadoras de Columbia, NASA y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, Comisso y Sironi crearon simulaciones por computadora que muestran los movimientos exactos de electrones e iones en el plasma solar. Estas simulaciones imitan las condiciones atmosféricas del sol y proporcionan los datos más completos recopilados hasta la fecha sobre cómo y cuándo se formarán las partículas de alta energía.
La investigación proporciona respuestas a preguntas que los científicos han estudiado durante al menos 70 años: en 1949, el físico Enrico Fermi comenzó a estudiar los campos magnéticos en el espacio como una fuente potencial de partículas de alta energía (a las que llamó rayos cósmicos) que se han observado entrar en el Atmósfera terrestre. Desde entonces, los científicos han sospechado que el plasma solar es una fuente importante de estas partículas, pero es difícil probarlo definitivamente.
La investigación de Comisso y Sironi, que se llevó a cabo con el apoyo de la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias, tiene implicaciones mucho más allá de nuestro propio sistema solar. La gran mayoría de la materia observable en el universo se encuentra en estado de plasma. Comprender cómo algunas de las partículas que componen el plasma pueden acelerarse a altos niveles de energía es una nueva área de investigación importante, ya que las partículas energéticas se observan regularmente no solo alrededor del sol, sino también en otros entornos en todo el universo, incluido el entorno de los agujeros negros y las estrellas de neutrones.
Si bien el nuevo artículo de Comisso y Sironi se enfoca en el sol, se podrían ejecutar más simulaciones en otros contextos para comprender cómo y cuándo las estrellas distantes, los agujeros negros y otras entidades en el universo generarán sus propios estallidos de energía.
«Nuestros resultados se centran en el sol, pero también pueden verse como un punto de partida para comprender mejor cómo se producen las partículas de alta energía en las estrellas más distantes y alrededor de los agujeros negros», dijo Comisso. «Solo hemos arañado la superficie de lo que las simulaciones de supercomputadoras pueden decirnos sobre cómo se originan estas partículas en el universo».
Referencia:
- Luca Comisso, Lorenzo Sironi. Aceleración de iones y electrones en turbulencia de plasma completamente cinético. Las cartas del diario astrofísico, 2022; 936 (2): L27 DOI: 10.3847/2041-8213/ac8422
