El misterio de la “aceleración de los electrones” resuelto

Un misterioso fenómeno detectado por sondas espaciales finalmente ha sido explicado, gracias a una simulación por ordenador que fue capaz de alinear con precisión los detalles de las observaciones de las sondas. El hallazgo no sólo podría resolver un enigma astrofísico, sino que también podría conducir a una mejor capacidad para predecir las corrientes de electrones de alta energía en el espacio que podría dañar satélites. 

Jan Egedal, profesor asociado de física en el MIT e investigador en el Plasma Science and Fusion Center, en colaboración con el estudiante graduado del MIT Ari Le y William Daughton del Laboratorio Nacional Los Alamos (LANL), informan sobre la solución para este dilema en un artículo publicado el 26 de febrero en la revista Nature Physics. 

Egedal había propuesto inicialmente un teoría para explicar esta aceleración de electrones a gran escala en las llamada “cola” del campo magnético de la Tierra – una extensa zona barrida por el viento solar- pero hasta que los nuevos datos de la simulación por ordenador llegaron “un montón de gente decía que era una idea loca”, asegura. 

 La simulación muestra una región activa en la cola magnética de la Tierra, donde  se  realiza una “reconexión” de eventos en el campo magnético, y que es aproximadamente 1.000 veces más grande de lo que se que pensaba. Esto significa la existencia de un volumen de espacio energetizado por estos acontecimientos magnéticos lo suficientemente grande para explicar el gran número de electrones de alta velocidad detectados por una serie de misiones espaciales, incluida la misión Cluster. 

Resolver el problema requirió una cantidad asombrosa de datos con que alimentar uno de los los superordenadores más avanzados del mundo, localizado en el Instituto Nacional de Ciencias de la Computación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. El equipo, llamado Kraken, tiene 112.000 procesadores trabajando en paralelo y consume tanta electricidad  como una pequeña ciudad. El estudio utilizó 25 mil de estos procesadores durante 11 días para seguir los movimientos de los 180.ooo millones de partículas simuladas, en el transcurso de un evento de reconexión magnética. El tiempo de procesamiento acumulado poco a poco, trajo un periodo de inactividad en otras tareas. La simulación se realizó utilizando un código de “plasma-físico” desarrollada en LANL que analiza rigurosamente la evolución de la reconexión magnética. 

Egedal explica como el viento solar estira las lineas del campo magnético de la Tierra, acumulando energía como una goma elástica que se estira. Cuando las líneas de campo paralelas se vuelven a conectar, liberan esa energía a la vez. Esa liberación de energía es lo que impulsa a los electrones de gran energía (decenas de miles de voltios) de nuevo hacia la Tierra, donde impactan contra la atmósfera superior. Este impacto se piensa, directa o indirectamente, genera la resplandeciente atmósfera superior de plasma llamada aurora, que genera la producción de pantallas luminosas espectaculares en el cielo nocturno. 

Lo que había desconcertado a los físicos era el número de electrones de alta energía generados en dichos eventos. Según la teoría, debería ser imposible mantener un campo eléctrico a lo largo de la dirección de las líneas del campo magnético, ya que el plasma (gas cargado eléctricamente) debía actuar como un conductor casi perfecto en en la cola magnética del campo. Pero este campo es sólo lo que se necesita para acelerar los electrones. Y, de acuerdo con la nueva simulación, el volumen del espacio donde tales campos puede acumularse puede, de hecho, ser al menos 1.000 veces más grande de lo que los teóricos había creído posible . Y por lo tanto lo suficientemente grande como para explicar los electrones observados 

“Creiamos que era una región pequeña”, dice Egedal. Pero ahora, “mediante el análisis de los datos de la sonda y  la simulación, hemos demostrado que puede ser muy grande, y puede acelerar mucho más electrones.” Como resultado, “por primera vez, podemos reproducir las características observadas” por las sondas.

Esto podría ser importante porque, entre otras cosas, “estos electrones calientes pueden destruir una nave espacial, por lo que tanto el ejército como a la NASA les gustaría entender mejor esto.”

A pesar de que este análisis fue específico para fenómenos en la cola magnética de la Tierra, Egedal cree que un fenómeno similar puede estar ocurriendo en regiones mucho más grandes de plasma magnetizado en el espacio -como en las eyecciones de masa que hacen erupción en la corona solar, que ocupan regiones  10.000 veces más grandes, o incluso en regiones que rodean los púlsares u otros rayos de alta energía en el espacio profundo, que son mucho más grandes aún. 

En el futuro, espera poder llevar a cabo simulaciones que se aplicarían a las eyecciones de masa coronal solares. “Creemos que la simulación se puede ampliar hasta un factor del 101%”. 

Michael Brown, profesor de física en el Swarthmore College, que no participó en esta investigación, dice de Egedal  que “se está convirtiendo en un verdadero líder en el experimentación y observación de varios aspectos de la reconexión magnética “, y del co-autor Daughton que “es el líder reconocido en simulaciones de plasma”. “El nuevo resultado es muy importante, y creo que es sorprendente para el resto de la comunidad científica. Creo que esta imagen ganará cada vez más aceptación, y tenemos que ir más allá de “la imagen actualmente aceptada del plasmas”, sentencia. 

El trabajo fue apoyado por becas de la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias.

Autor: David L. Chandler