¿De dónde vienen las partículas que amenazan a las naves espaciales?

Astrofísicos de la Universidad de Columbia han descubierto cómo y cuándo se forman las partículas de alta energía del espacio, según publican en 'The Astrophysical Journal Letters'.

Durante décadas, los científicos han tratado de resolver el problema de las partículas de alta energía que bombardean la Tierra y los objetos fuera de la atmósfera terrestre de forma impresvisible con una radiación que puede poner en peligro la vida de los astronautas y destruir los equipos electrónicos de los satélites.

Estas erupciones pueden incluso desencadenar lluvias de radiación lo suficientemente fuertes como para alcanzar a los pasajeros de los aviones que sobrevuelan el Polo Norte. A pesar de los esfuerzos de los científicos, sigue siendo difícil identificar un patrón claro de cómo y cuándo se producen las erupciones.

Los autores Luca Comisso y Lorenzo Sironi, del Departamento de Astronomía y del Laboratorio de Astrofísica de Columbia, han utilizado por primera vez superordenadores para simular cuándo y cómo nacen las partículas de alta energía en entornos turbulentos como el de la atmósfera del Sol. Esta nueva investigación allana el camino para predecir con mayor exactitud cuándo se producirán los peligrosos estallidos de estas partículas.

"Esta nueva y apasionante investigación nos permitirá predecir mejor el origen de las partículas energéticas solares y mejorar los modelos de previsión de fenómenos meteorológicos espaciales, un objetivo clave de la NASA y de otras agencias espaciales y gobiernos de todo el mundo", señala Comisso en un comunicado.

En los próximos dos años, añade, la Parker Solar Probe de la NASA, la nave espacial más cercana al sol, podrá validar las conclusiones del artículo observando directamente la distribución prevista de las partículas de alta energía que se generan en la atmósfera exterior del sol.

En su artículo, Comisso y Sironi demuestran que los campos magnéticos de la atmósfera exterior del sol pueden acelerar los iones y electrones hasta velocidades cercanas a la de la luz. La atmósfera exterior del Sol y de otras estrellas está formada por partículas en estado de plasma, un estado altamente turbulento distinto de los estados líquido, gaseoso y sólido.

Los científicos han creído durante mucho tiempo que el plasma del sol genera partículas de alta energía. Pero las partículas del plasma se mueven de forma tan errática e imprevisible que hasta ahora no habían podido demostrar plenamente cómo y cuándo ocurre esto.

Utilizando los superordenadores de Columbia, la NASA y el Centro Nacional de Investigación Científica de la Energía, Comisso y Sironi crearon simulaciones informáticas que muestran los movimientos exactos de los electrones e iones en el plasma solar. Estas simulaciones imitan las condiciones atmosféricas del sol y proporcionan los datos más amplios reunidos hasta la fecha sobre cómo y cuándo se forman las partículas de alta energía.

La investigación proporciona respuestas a preguntas que los científicos llevan investigando al menos 70 años: En 1949, el físico Enrico Fermi empezó a investigar los campos magnéticos del espacio exterior como fuente potencial de las partículas de alta energía (que él llamó rayos cósmicos) que se observaban entrando en la atmósfera terrestre. Desde entonces, los científicos sospechan que el plasma solar es una fuente importante de estas partículas, pero demostrarlo definitivamente ha sido difícil.

La investigación de Comisso y Sironi, realizada con el apoyo de la NASA y la National Science Foundation, tiene implicaciones más allá de nuestro propio sistema solar. La mayor parte de la materia observable en el universo se encuentra en estado de plasma.

Entender cómo algunas de las partículas que constituyen el plasma pueden ser aceleradas hasta alcanzar niveles de alta energía es una nueva e importante área de investigación, ya que las partículas energéticas se observan rutinariamente no sólo alrededor del sol, sino también en otros entornos del universo, incluyendo los alrededores de los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Aunque el nuevo trabajo de Comisso y Sironi se centra en el sol, podrían realizarse más simulaciones en otros contextos para entender cómo y cuándo las estrellas lejanas, los agujeros negros y otras entidades del universo generarán sus propios estallidos de energía.

"Nuestros resultados se centran en el sol, pero también pueden considerarse un punto de partida para comprender mejor cómo se producen las partículas de alta energía en estrellas más lejanas y alrededor de los agujeros negros --señala Comisso--. Sólo hemos arañado la superficie de lo que las simulaciones con superordenadores pueden decirnos sobre cómo nacen estas partículas en todo el universo".