La magnetosfera terrestre alberga un acelerador de partículas gigante

Los científicos han descubierto un enorme acelerador de partículas en el corazón de una de las regiones más hostiles del espacio cercano a la Tierra, una región de partículas cargadas y super-energéticas, que rodean nuestro planeta: los cinturones de radiación de Van Allen.

Los especialistas sabían que algo aceleraba las partículas hasta más del 99% de la velocidad de la luz, pero no sabían qué era. Nuevos resultados de las sondas Van Allen de la NASA muestran ahora que la energía de aceleración viene de dentro de las propias bandas.

Las partículas son aceleradas mediante impulsos locales de energía, disparando las partículas a velocidades cada vez más rápidas, muy parecido al empuje perfectamente sincronizado sobre un columpio en movimiento.

El descubrimiento de que las partículas son aceleradas por una fuente local de energía es similar al descubrimiento de que los huracanes nacen de una fuente de energía local, como una región de agua caliente del océano. En el caso de los cinturones de radiación, la fuente es una región de ondas electromagnéticas intensas, que aprovechan la energía de otras partículas situadas en la misma región.

Conocer la ubicación de la aceleración ayudará a los científicos a mejorar las predicciones sobre el clima espacial, porque los cambios en los cinturones de radiación pueden ser peligrosos para los satélites cercanos a la Tierra. Los resultados fueron publicados en la revista Science ayer.

A fin de que los científicos entiendan mejor los cinturones, las sondas Van Allen fueron diseñadas para volar a través de esta intensa área del espacio. Cuando la misión fue lanzada en agosto de 2012, tenía objetivos de alto nivel para comprender cómo se aceleran las partículas en los cinturones a energías ultra-altas, y cómo las partículas puede escaparse a veces.

Determinando que esta super aceleración proviene de estos impulsos locales de energía, y no de un proceso más global, los científicos han sido capaces por primera vez de responder definitivamente a una de esas preguntas importantes.

Los cinturones de radiación

Los cinturones de radiación fueron descubiertos con el lanzamiento de los primeros satélites que Estados Unidos envió con éxito al espacio, Explorers I y III. Pronto se supo que los cinturones eran de los entornos más peligrosos que una nave espacial puede experimentar.

La mayoría de las órbitas de satélite se eligen de modo que puedan atravesar los cinturones de radiación por debajo, o rodearlos, y algunos satélites, como la nave espacial GPS, deben funcionar entre los dos cinturones. Cuando los cinturones se ensanchan debido a la meteorología espacial, pueden cubrir a estas naves espaciales, exponiéndolas a radiación peligrosa. De hecho, un número importante de fallos permanentes en las naves espaciales han sido causados ​​por la radiación.

Con un sistema de advertencias suficiente, podemos proteger a la tecnología de estas consecuencias, pero tal sistema sólo se puede lograr si realmente comprendemos la dinámica de lo que está sucediendo dentro de esos misteriosos cinturones.

"Hasta la década de 1990, pensamos que los cinturones de Van Allen se portaban muy bien y cambiaban poco a poco", explica en la nota de prensa de la NASA Geoff Reeves, autor principal del artículo y científico especializado en cinturones de radiación en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (Nuevo México). "Al hacer más y más medidas, sin embargo, nos dimos cuenta de cómo los cinturones de radiación se movían muy rápida e impredeciblemente. Básicamente nunca están en equilibrio, sino en un estado constante de cambio."

De hecho, los científicos se dieron cuenta de que los cinturones ni siquiera cambian de forma consistente en respuesta a lo que parecen ser estímulos similares. Algunas tormentas solares provocaron que los cinturones se intensificaran, mientras que otras hicieron que los cinturones se redujeran, y algunas parecían no tener casi ningún efecto en absoluto.

Tales efectos dispares de eventos aparentemente similares sugirieron que esta región es mucho más misteriosa de lo que que se pensaba. Para entender -y, más tarde, predecir- qué tormentas solares intensificarán los cinturones de radiación, los científicos quieren saber de dónde vienen la energía que acelera a las partículas.

Las sondas Van Allen

Las sondas gemelas Van Allen fueron diseñadas para distinguir entre dos amplias posibilidades sobre qué procesos aceleran las partículas a velocidades tan sorprendentes: la aceleración radial o la aceleración local.

En la aceleración radial, las partículas son transportadas perpendicularmente a los campos magnéticos que rodean la Tierra, desde las zonas de baja intensidad magnética lejos de la Tierra a las zonas de alta intensidad magnética cercanas a la Tierra.

Las leyes de la física dictan que las velocidades de las partículas en este escenario se acelerarán cuando aumente la intensidad del campo magnético. Así que la velocidad aumentaría a medida que las partículas se mueven hacia la Tierra, igual que una roca que rueda por una colina gana velocidad, simplemente debido a la gravedad.

La teoría de aceleración local sugiere que las partículas ganan energía de una fuente local, más similar a la forma en que el agua caliente del océano genera un huracán por encima de ella.

Para ayudar a distinguir entre estas dos posibilidades, las sondas Van Allen son dos y no una. Con dos conjuntos de observaciones, los científicos pueden medir las partículas y las fuentes de energía en dos regiones del espacio al mismo tiempo, lo cual es crucial para distinguir entre las causas que se producen localmente o vienen de muy lejos.

Además, cada nave espacial está equipada con sensores para medir la energía de la partícula y la posición y determinar el ángulo de paso -es decir, el ángulo de movimiento con respecto a los campos magnéticos de la Tierra. Todo esto cambia de manera diferente en función de las fuerzas que actúan sobre ellas, ayudando así a los científicos a distinguir entre las teorías.

Una vez obtenidos estos datos, Reeves y su equipo observaron un aumento rápido de la energía de los electrones de alta energía en los cinturones de radiación el 9 de octubre de 2012.

Si la aceleración de estos electrones se hubiera producido debido al transporte radial, se podrían medir los efectos de partida primero lejos de la Tierra y luego moviéndose hacia el interior debido a la propia forma y fuerza de los campos de los alrededores.

En tal escenario, las partículas se mueven a través de campos magnéticos, saltando con naturalidad de uno a otro como en una cascada, ganando velocidad y energía a lo largo del camino -como la roca por la colina.

Pero las observaciones no muestran una intensificación que se formara muy lejos de la Tierra y poco a poco se trasladara hacia el interior. En su lugar, mostraron un aumento en la energía que se iniciaba justo enmedio de los cinturones de radiación y se extendía gradualmente tanto hacia el interior como hacia el exterior, lo que implica una fuente de aceleración local. "En este caso en particular, toda la aceleración se produjo en cerca de 12 horas", cuenta Reeves.

Aunque el trabajo muestra que la energía local proviene de las ondas electromagnéticas que circulan a través de los cinturones, no se sabe exactamente cuál puede ser la causa de estas ondas.

Referencia bibliográfica:

G. D. Reeves, H. E. Spence, M. G. Henderson, S. K. Morley, R. H. W. Friedel, H. O. Funsten, D. N. Baker, S. G. Kanekal, J. B. Blake, J. F. Fennell, S. G. Claudepierre, R. M. Thorne, D. L. Turner, C. A. Kletzing, W. S. Kurth, B. A. Larsen, y J. T. Niehof. Electron Acceleration in the Heart of the Van Allen Radiation Belts. Science (2013). DOI: 10.1126/science.1237743.