Rastreando el origen de las partículas rápidas

Datos obtenidos por el sistema THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interaction during Substorms) de la NASA, combinados con modelos de computadora ayudan a rastrear el origen de las partículas energéticas presentes en el campo magnético de la Tierra que aparecen en una especie de clima espacial llamada subtormenta. Comprender el origen de estas partículas y la forma en que son transportadas a través de la atmósfera terrestre es crucial para una mejor comprensión y el clima espacial y así proteger los satélites e incluso los seres humanos en el espacio.

Los resultados muestran que estos electrones tienen una rápida ganancia de energía adicional procedente de los campos magnéticos, muy lejos del origen de las subtormentas que los causa. THEMIS, que consta de cinco satélites en órbita, ayudó a proporcionar estos datos, cuando tres de ellos viajaron a través de una subtormenta grande el 15 de febrero de 2008. Esto permitió a los científicos rastrear los cambios en la energía de partículas a una distancia grande. Las observaciones fueron consistentes con los modelos numéricos que muestran un aumento de energía debido a la evolución de los campos magnéticos, un proceso conocido como aceleración betatrón.

“El origen de electrones rápidos en las subtormentas ha sido un rompecabezas”, dice Maha Ashour-Abdalla, físico de la Universidad de California en Los Ángeles y autor principal del artículo de Nature Physics que apareció online el 30 de enero de 2011 sobre el tema. “No estaba claro hasta ahora si obtenían  su explosión de velocidad en el centro de la tormenta, o de algún lugar más lejos.”

Las subtormentas se originan frente al sol en el “lado nocturno” de la Tierra, en un punto cerca de un tercio de la distancia a la Luna. En este punto en el espacio, la energía y las partículas de viento solar crecen  con el tiempo. Este es también un punto en el que las líneas de campo más ordenado cerca de la Tierra – donde parecen dos orejas gigantes a cada lado del globo, una forma conocida como un dipolo dado que las líneas se inclinan hasta tocar la Tierra en los dos polos – pueden distorsionar en largas filas y, a veces se separan y “vuelven a conectarse.” Durante la reconexión, la energía almacenada se libera en explosiones que envían partículas en todas direcciones. Pero es un fenómeno de reconexión magnético y los científicos no saben el mecanismo exacto que crea la aceleración de partículas de este fenómeno.

“Durante treinta años, una de las preguntas sobre el campo magnético alrededor de la Tierra ha sido,” ¿cómo los campos magnéticos dan lugar al traslado de partículas energéticas? “, Dice el científico de la NASA Melvyn Goldstein, jefe del Laboratorio de Física Geoespacial Goddard de la NASA Center en Greenbelt, Maryland, y también autor del artículo. ”Tenemos que saber estas cosas para ayudar a planificar la próxima generación de instrumentos de investigación, como la misión Magnetospheric MultiScale (MMS), cuyo lanzamiento está previsto para 2014. MMS tiene que buscar en el lugar correcto y la firma correcta de este avivamiento de partículas.”

En la década de 1980, los científicos barajaban la hipótesis de que las partículas rápidas de alta energía podían obtener la velocidad de la rápida evolución de los campos magnéticos. El cambio de los campos magnéticos pueden causar la captura de electrones a lo largo de una trayectoria espiral por el efecto betatrón.

De hecho, los electrones caen hacia la Tierra en una subtormenta de modo natural, cruzando una multitud de campos magnéticos cambiantes como las largas filas, y mientras el campo se extienda lejos de la Tierra más podrán relajarse las líneas de dipolo más cercano a laTierra, un proceso llamado dipolarization. La aceleración betatrón hace que las partículas obtengan energía y velocidad mucho más lejos del lugar inicial de reconexión. Pero sin observaciones que a la vez pudieran medir los datos cerca del punto de reconexión y cerca de la Tierra, la hipótesis era difícil de probar o contradecir.

THEMIS, sin embargo, fue diseñado específicamente para estudiar la formación de las subtormentas. Se inició con cinco naves espaciales, que pueden ser distribuidos en unas 44.000 millas – una herramienta perfecta para el examen de las diferentes áreas del campo magnético de la Tierra al mismo tiempo. Cerca de la medianoche del 15 de febrero de 2008, tres de los satélites en movimiento a través de la cola magnética de la Tierra, a unos 36.000 kilómetros de la Tierra, viajaron a través de una subtormenta grande.

“Miré a los datos de THEMIS sobre las subtormentas”, dice Ashour-Abdalla, “y vi que había una correlación directa entre la energía de la partícula mayor en el origen con la región de dipolarization más cerca de la Tierra.”

Para examinar los datos, Ashour Abdalla y un equipo de investigadores de la UCLA, la Universidad de Nanchang en China, la NASA Goddard Space Flight Center, y la Universidad de Maryland, Baltimore, utilizaron su experiencia con modelos de computadora para simular las complejas dinámicas que se producen en el espacio. El equipo comenzó con datos de la nave de una misión de la ESA llamada Cluster que estaba inmersa en el viento solar en el momento de la subtormenta. El uso de estas observaciones del entorno solar, se creo un modelo a gran escala de los campos eléctricos y magnéticos en el espacio alrededor de la Tierra. Luego se modeló una previsión de las distintas partículas observadas.

Cuando el equipo analizó los modelos, vieron que los electrones cercanos a los sitios de reconexión no ganaban mucha energía. Pero a medida se analizaban datos más cerca de la Tierra, donde los satélites THEMIS estaban ubicados, su modelo mostró la existencia de partículas unas diez veces más energéticos, al igual que había hecho THEMIS.

Esto es consistente con el modelo de aceleración betatrón. Los electrones obtienen una pequeña cantidad de energía a partir de la reconexión y, a continuación viajan hacia la Tierra, atravesando muchos  líneas de  campos magnéticos cambiantes. Estos campos producen aceleración betatrópn, tal y como Kivelson predijo en la década de 1980, lo que acelera los electrones de manera sustancial.

“Esta investigación demuestra los excelentes resultados que se pueden lograr cuando los modeladores, teóricos y observadores unen fuerzas”, dice el astrofísico Larry Kepko, científico del proyecto adjunto de la misión THEMIS en Goddard.“THEMIS continúa dando información muy valiosa sobre los procesos dinámicos que producen el clima espacial que afecta a la Tierra.”

Lanzado en 2007, THEMIS  fue la primera misión de la NASA que incluía cinco satélites a bordo de un cohete. La constelación única de satélites, proporcionado a los científicos datos para ayudar a resolver el misterio de cómo la magnetosfera de la Tierra almacena y libera energía del sol mediante la activación de subtormentas geomagnéticas. Dos de los satélites han sido rebautizados como Artemis y están en proceso de mudarse a una nueva órbita alrededor de la luna. Deberían a alcanzar su órbita definitiva en julio de 2011. Los tres restantes satélites THEMIS continúan estudiando las subtormentas.

THEMIS es administrado por la NASA Goddard Space Flight Center de la Dirección de Ciencia de la agencia. El Laboratorio de Ciencias Espaciales en la Universidad de California, Berkeley, es el responsable de la gestión del proyecto, el espacio y los instrumentos en tierra, la integración de la misión, operaciones de la misión y ciencia. ATK (antes Swales Aerospace) en Beltsville, Maryland, construyó las sondas. THEMIS es un proyecto internacional llevado a cabo en colaboración con Alemania, Francia, Austria y Canadá.

Autor: Karen C. Fox

Enlace original: Tracking the origin of speedy space particles