Sondas de Van Allen de la NASA descubren el acelerador de partículas en el corazón de los cinturones de radiación de la Tierra

Recientes observaciones por sondas de la NASA gemelas Van Allen demuestran que se aceleran las partículas en los cinturones de radiación que rodean la Tierra por una patada local de energía, ayuda a explicar cómo estas partículas alcanzan velocidades de 99 por ciento de la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: G. Reeves/M. Henderson

Los científicos han descubierto un acelerador de partículas masivas en el corazón de una de las regiones más duras del espacio cercano a la Tierra, una región de super-energetic, las partículas cargadas que rodean el globo llamado los cinturones de radiación Van Allen. Los científicos sabían que algo en el espacio acelera las partículas en los cinturones de radiación a más del 99 por ciento la velocidad de la luz pero no sabían qué era ese algo. Nuevos resultados de las sondas de la NASA Van Allen ahora muestran que la energía de aceleración viene de dentro de los cinturones de sí mismos. Partículas dentro de los cinturones se aceleraran por patadas locales de energía, el embate de las partículas a velocidades nunca más rápidas, como un empuje perfectamente cronometrado en un columpio en movimiento.

El descubrimiento de que las partículas son aceleradas por una fuente de energía local es similar al descubrimiento de que los huracanes crecen a partir de una fuente de energía local, como una región de aguas cálidas del océano. En el caso de los cinturones de radiación, la fuente es una región de intensa de las ondas electromagnéticas, aprovechando la energía de otras partículas que se encuentra en la misma región. Saber la ubicación de la aceleración ayudará a científicos mejorar las predicciones meteorológicas del espacio, porque los cambios en los cinturones de radiación pueden ser riesgosos para los satélites cerca de la Tierra. Los resultados fueron publicados en Science magazine on 25 de julio de 2013.

 

En orden para que los científicos a entender mejores las correas, las sondas de Van Allen fueron diseñadas para volar directamente a través de esta área intensa del espacio. Cuando la misión se lanzó en agosto de 2012, tenía objetivos de nivel superior para entender cómo se aceleran partículas en las correas a ultra-alta energías, y cómo las partículas pueden escapar a veces. Determinando que esta aceleración superfast proviene de estas patadas locales de energía, en comparación con un proceso más global, los científicos han podido responder definitivamente una de esas preguntas importantes por primera vez.

 

"Este es uno de los más altamente resultados esperados y emocionantes de las sondas de Van Allen," dijo David Sibeck, científico del proyecto Van Allen sondas en la NASA Goddard Space Flight Center en Greenbelt, Maryland "Va al corazón de por qué hemos puesto en marcha la misión".

 

Los cinturones de radiación fueron descubiertos en el lanzamiento de los satélites de Estados Unidos exitosos primeros enviado al espacio, exploradores I y III. Se realizó rápidamente que los cinturones fueron algunos de los entornos más peligrosos que puede experimentar una nave espacial. La mayoría de las órbitas de satélites son elegidas a pato por debajo de los cinturones de radiación o círculo fuera de ellos, y algunos satélites, como nave espacial GPS, deben operar entre los dos cinturones. Cuando las correas se hinchan debido al entrante clima espacial, pueden abarcar estas naves espaciales, exposición a radiación peligrosa. De hecho, un número significativo de fallas permanentes en nave espacial ha sido provocado por radiación. Con suficiente atención, podemos proteger la tecnología de las peores consecuencias, pero tal advertencia sólo puede lograrse si realmente entendemos la dinámica de lo que ocurre dentro de estos cinturones misteriosos.

 

"Hasta la década de 1990, pensamos que los cinturones de Van Allen fueron bastante bien-comportados y cambiado lentamente," dijo Geoff Reeves, el primer autor en el papel y un científico del cinturón de radiación en el laboratorio nacional de Los Alamos en Los Alamos, nuevo México "con medidas cada vez más, sin embargo, nos dimos cuenta cómo rápidamente e imprevisible cambiaron los cinturones de radiación. No están básicamente nunca en equilibrio, pero en un estado constante de cambio".

 

De hecho, los científicos descubrieron que los cinturones incluso cambian constantemente en respuesta a lo que parecen ser estímulos similares. Algunas tormentas solares causaron que las correas se intensificaran; otros han causado que las correas lleguen a agotarse y algunos parecían no tener casi ningún efecto en absoluto. Tales efectos dispares de eventos aparentemente similares sugieren que esta región es mucho más misteriosa de lo que se pensaba anteriormente. Para entender – y eventualmente predecir – que las tormentas solares intensificarán los cinturones de radiación, los científicos quieren saber de dónde viene la energía que acelera las partículas.

 

Las sondas gemelas Van Allen fueron diseñadas para distinguir entre dos amplias posibilidades en qué procesos aceleran las partículas a tales velocidades increíbles: aceleración radial o aceleración local. En aceleración radial, las partículas son transportadas perpendicularmente a los campos magnéticos que rodean la Tierra, desde las zonas de baja resistencia magnética lejos de la Tierra en áreas de alta resistencia magnética más cerca de la Tierra. Las leyes de la física dictan que la velocidad de la partícula en este escenario se aceleran cuando aumenta la fuerza del campo magnético. Así se aumentaría la velocidad como las partículas se mueven hacia la Tierra, de la forma que una roca rodando colina a abajo reúne velocidad simplemente debido a la gravedad. La teoría de aceleración local postula que las partículas ganan energía de una fuente de energía local más similar a la que  forma el agua caliente del océano genera un huracán por encima de él.

 

Dos hileras de partículas de Tierra llaman los cinturones de radiación son uno de los aceleradores naturales más grandes del sistema solar, capaz de empujar las partículas hasta un 99% la velocidad de la luz. Las sondas de Van Allen lanzadas en agosto de 2012, ahora han descubierto los mecanismos detrás de esta aceleración. Crédito de la imagen: NASA/Goddard / Scientific Visualization Studio

Para ayudar a distinguir entre estas posibilidades, las sondas de Van Allen consisten en dos naves espaciales. Con dos conjuntos de observaciones, los científicos pueden medir las partículas y las fuentes de energía en dos regiones del espacio simultáneamente, que es crucial para distinguir entre las causas que se producen localmente o vienen de lejos. Además, cada nave está equipada con sensores para medir la posición y la energía de la partícula y determinar el ángulo de pitch – es decir, el ángulo de movimiento con respecto a los campos magnéticos de la Tierra. Todo esto cambiará en diferentes formas dependiendo de las fuerzas que actúan sobre ellas, así ayudando a los científicos a distinguir entre las teorías.

Equipado con tales datos, Reeves y su equipo observaron un rápido aumento de la energía de los electrones en los cinturones de radiación de alta energía en 09 de octubre de 2012. Si la aceleración de estos electrones estaba ocurriendo debido al transporte radial, uno mediría efectos comenzando primero lejos de la Tierra y movimiento interno debido a la forma misma y fuerza de los campos circundantes. En tal escenario, partículas moviéndose a través de campos magnéticos naturalmente saltan de uno a otro en una cascada similar, reuniendo velocidad y energía en el camino – correlacionar a ese escenario de rocas rodando por una colina.

Pero las observaciones no muestran una intensificación que se formaron más lejos de la Tierra y gradualmente se movió hacia adentro. En cambio mostraron un aumento en energía que comenzó justo en medio de los cinturones de radiación y se extendió gradualmente tanto hacia adentro como hacia afuera, lo que implica una fuente local de aceleración.

Los científicos creen que estos nuevos resultados conducirá a mejores predicciones de la compleja cadena de eventos que se intensifican los cinturones de radiación a los niveles que pueden inhabilitar satélites. Mientras que la obra muestra que el local de la energía proviene de las ondas electromagnéticas que recorre los cinturones, no se sabe exactamente que estas ondas podrían ser la causa. Durante el conjunto de observaciones descritas en el documento, las sondas de Van Allen observó un tipo específico de onda llamada ondas de coro al mismo tiempo, como las partículas fueron aceleradas, pero más trabajo debe hacerse para determinar la causa y efecto.

"Este documento ayuda a diferenciar dos soluciones amplias," dijo Sibeck. "Esto demuestra que la aceleración puede ocurrir localmente. Ahora los científicos que estudian las ondas y campos magnéticos se concentran a hacer su trabajo y averiguar qué onda proporciona el empuje.

Afortunadamente, esa tarea también se ayudará a lo largo de Van Allen sondas, que fueron también cuidadosamente diseñadas para medir y distinguir entre los numerosos tipos de ondas electromagnéticas.

"Cuando los científicos diseñaron la misión y la instrumentación de las sondas, consultaron las incógnitas científicas y dijo, 'Esto es una gran oportunidad para desbloquear algunos conocimientos fundamentales sobre cómo las partículas se aceleran,'" dijo Nicola J. Fox, Subdirector científico del proyecto en la Johns Hopkins University laboratorio de física aplicada en Laurel, Maryland "con cinco suites idénticos de instrumentos a bordo de las naves espaciales gemelas – cada uno con una amplia gama de detección de partículas y campo y onda – tenemos la mejor plataforma alguna vez creado para entender mejor esta región crítica de espacio por encima de la tierra".

El laboratorio de física aplicada construyó y opera la gemelas Van Allen sondas para la dirección de misiones de la NASA ciencia. Las sondas de Van Allen comprenden a la segunda misión en el programa de vivir con una estrella de la NASA, gestionado por Goddard, para explorar aspectos del sistema Sol-Tierra conectados que afectan directamente la vida y la sociedad.

 

Karen C. FoxNASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.

 

Traducción: El Quelonio Volador