Los físicos encuentran “evidencia definitiva” del mecanismo detrás de las auroras más brillantes

Agrandar / Los físicos reportan evidencia definitiva de que las auroras que iluminan el cielo en las latitudes altas son causadas por electrones acelerados por una poderosa fuerza electromagnética llamada ondas de Alfvén.

Austin Montelius, Universidad de Iowa

En agosto y septiembre de 1859, hubo una gran tormenta geomagnética, también conocida como la Evento de Carrington, la más grande jamás registrado—Que produjo auroras deslumbrantes visibles en todo Estados Unidos, Europa, Japón y Australia. Los científicos han estado fascinados durante mucho tiempo por los procesos físicos subyacentes que dan lugar a tales manifestaciones, pero aunque se comprende el mecanismo básico, nuestra comprensión aún es incompleta. De acuerdo a un nuevo papel publicado en la revista Nature Communications, los electrones en la ionosfera de la Tierra atrapan una onda de plasma para acelerar hacia la Tierra con suficiente energía para producir los tipos más brillantes de auroras.

Los espectaculares efectos caleidoscópicos de las llamadas luces del norte (o luces del sur si están en el hemisferio sur) son el resultado de partículas cargadas del Sol que se vierten en la Tierra. magnetosfera, donde chocan con moléculas de oxígeno y nitrógeno, una interacción que excita esas moléculas y las hace brillar. Las auroras suelen presentarse como cintas brillantes en el cielo, con tonos verdes, morados, azules y amarillos. Las luces tienden a ser visibles solo en las regiones polares porque las partículas siguen las líneas del campo magnético de la Tierra, que se abren en abanico desde la vecindad de los polos.

Hay diferentes tipos de exhibiciones de auroras, como auroras “difusas” (un tenue resplandor cerca del horizonte), exhibiciones más raras de “vallas de estacas” y “dunas” y “arcos de auroras discretos”, la variedad más intensa, que aparece en el cielo como cortinas de luz ondulantes y relucientes. Los arcos de auroras discretos pueden ser tan brillantes que es posible leer un periódico a su luz. (Los astrónomos han llegado a la conclusión de que el fenómeno que se ganó el apodo STEVE (fuerte mejora de la velocidad de emisión térmica) hace varios años no es una verdadera aurora después de todo, ya que es causada por partículas cargadas que se calientan a gran altura en la ionosfera.) Los científicos creen que existen diferentes mecanismos por los cuales las partículas en precipitación se aceleran para producir cada tipo.

Una de las preguntas sin respuesta es precisamente cómo se aceleran los electrones antes de chocar con la ionosfera. Los físicos de la Universidad de Iowa, Wheaton College, Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) y el Instituto de Ciencias Espaciales de Los Ángeles estaban interesados ​​en explorar el mecanismo detrás de los arcos aurorales discretos en particular. Entre las teorías propuestas está que los electrones se aceleran debido a los llamados Olas de Alfvén viajando hacia la Tierra.

Las ondas de Alfvén surgen en el plasma, un cuarto estado de la materia que tiene propiedades similares a los fluidos y gases, pero que también contiene campos magnéticos (y a veces eléctricos). Fueron hipotetizados por primera vez en 1942 por el físico sueco del plasma. Hannes Alfvén y desde entonces se han observado en plasmas terrestres y espaciales. Bajo ciertas condiciones, las ondas de Alfvén pueden intercambiar energía con partículas en el plasma, a veces atrapándolas en los valles de las ondas. Se ha sugerido que las ondas de Alfvén son responsables de la aceleración de las partículas precipitadas que finalmente dan lugar a arcos de auroras discretos.

Los electrones se aceleran navegando por las ondas Alfven.
Agrandar / Los electrones se aceleran navegando por las ondas Alfven.

Según a los autores, la teoría es algo como esto. Las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal pueden desencadenar fuertes tormentas geomagnéticas. Esas tormentas a su vez pueden hacer que las líneas del campo magnético de los hemisferios sur y norte se rompan y se vuelvan a formarreconexión magnética), antes de retroceder hacia la Tierra como una banda de goma estirada. Ese rebote lanza ondas Alfvén, que viajan hacia la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético, acelerando en el camino hasta 35.000 km / s (casi 80 millones de mph), gracias a la creciente fuerza del campo magnético terrestre.

Mientras tanto, los electrones atrapados en la Tierra magnetosfera están disminuyendo la velocidad térmica. A una altitud por debajo de los 20.000 km (o 12.000 millas), las ondas de Alfvén se moverán un poco más rápido que la velocidad térmica de los electrones. Esto permite a los electrones que viajan en la misma dirección “surfear” las ondas de Alfvén. Cualquier surfista puede decirte que el truco para atrapar una ola es remar hasta que la velocidad de tu tabla coincida con la de una ola entrante; de lo contrario, la ola simplemente pasará de largo, dejándote balanceándote con tristeza en tu tabla de surf, viendo a todos los demás divertirse. Los electrones hacen esencialmente lo mismo.

A medida que la energía se transfiere de las ondas a los electrones, esos electrones se aceleran hasta 20.000 km / s (o 45 millones de mph) antes de chocar con los átomos en el aire delgado de la atmósfera superior, produciendo un discreto arco de aurora. Es un fenómeno conocido como Amortiguación Landau, después del físico soviético Lev Landau quien lo describió teóricamente por primera vez en 1946. El efecto también es esencial para la estabilidad en los aceleradores de partículas, ya que suprime cualquier movimiento no deseado de los haces de partículas que interactúan con su entorno a través de campos de estela electromagnéticos.

Ya hay alguna evidencia en apoyo de esta teoría a partir de las observaciones de las ondas de Alfvén que se mueven hacia la Tierra por encima de las auroras realizadas durante el vuelo de cohetes sonoros y ciertas misiones de naves espaciales. Pero aún faltaba una medida definitiva tanto para las ondas de Alfvén como para los electrones acelerados. Así que el equipo decidió realizar una serie de experimentos en el Dispositivo de plasma grande (LPD) en la instalación de ciencia básica del plasma de UCLA, que crea plasmas capaz de soportar las ondas de Alfvén, similar a los plasmas en el espacio, aunque en una escala terrestre más pequeña.

Vista panorámica del dispositivo de plasma grande, una cámara de vacío cilíndrica de casi 20 metros de largo y 1 metro de diámetro envuelta en potentes bobinas de campo magnético axial (púrpura y amarillo).
Agrandar / Vista panorámica del dispositivo de plasma grande, una cámara de vacío cilíndrica de casi 20 metros de largo y 1 metro de diámetro envuelta en potentes bobinas de campo magnético axial (púrpura y amarillo).

Fue un desafío abrumador, ya que necesitaban medir una población muy pequeña de electrones a medida que avanzaban por la cámara LPD, casi a la misma velocidad que las ondas Alfvén. Así que los físicos tuvieron que desarrollar una serie de nuevos instrumentos y técnicas, no solo un dispositivo lo suficientemente sensible para medir unos pocos electrones, sino también una antena de alta potencia para lanzar ondas Alfvén con las características adecuadas para poder acelerar esos electrones. También tuvieron que descubrir cómo combinar las mediciones de los electrones y los campos eléctricos para obtener una firma única para esa aceleración.

Todos los electrones del plasma creado dentro de la cámara experimental se movían a una variedad de velocidades, pero menos de uno entre mil se movían hacia abajo de la cámara casi a la misma velocidad que las ondas de Alfvén. Y como se predijo, “las mediciones revelaron que esta pequeña población de electrones sufre una ‘aceleración resonante’ por el campo eléctrico de la onda Alfvén, similar a un surfista que atrapa una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve junto con la ola”. dijo el coautor Greg Howes, físico de la Universidad de Iowa. Los resultados experimentales coincidieron con su firma predicha para el efecto de amortiguación.

“La idea de que estas ondas pueden energizar los electrones que crean la aurora se remonta a más de cuatro décadas, pero esta es la primera vez que hemos podido confirmar definitivamente que funciona”. dijo el coautor Craig Kletzing, también físico de la Universidad de Iowa. “Estos experimentos nos permiten hacer las mediciones clave que muestran que las mediciones espaciales y la teoría, de hecho, explican una forma importante en la que se crean las auroras”.

DOI: Nature Communications, 2021. 10.1038 / s41467-021-23377-5 (Acerca de los DOI).


Source: Ars Technica by arstechnica.com.

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