Científicos revelan la existencia de un acelerador de partículas en una fulguración solar

Astronomía

Las fulguraciones solares se encuentran entre las explosiones más violentas de nuestro sistema solar, pero a pesar de su inmensa energía, equivalente a cien mil millones de bombas atómicas detonando a la vez, los físicos aún no han podido responder exactamente cómo estas repentinas erupciones en el sol son capaces de lanzar partículas a la Tierra, a casi 150 millones de km de distancia, en menos de una hora. Ahora, en un estudio publicado el 8 de junio en Nature, los investigadores del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey (NJIT) han identificado la ubicación precisa donde las partículas cargadas de las llamaradas solares se aceleran a una velocidad cercana a la de la luz.

Los nuevos hallazgos, que fueron posibles gracias a las observaciones de una erupción solar de clase X en 2017 por el radiotelescopio Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) del NJIT, han revelado un acelerador de partículas altamente eficiente ubicado en la punta del punto más brillante de la erupción en el la atmósfera exterior del sol, llamada “región de la cúspide” de la llamarada, donde el plasma ambiental de la explosión se convierte en electrones de alta energía. Los investigadores dicen que el descubrimiento de la región, medida en casi el doble del volumen de la Tierra, podría abrir nuevas puertas para investigar procesos fundamentales de aceleración de partículas omnipresentes en el universo.

“Los hallazgos de este estudio ayudan a explicar el antiguo misterio de cómo las erupciones solares pueden producir tanta energía en cuestión de segundos”, dijo Gregory Fleishman, autor correspondiente del artículo y distinguido profesor investigador de física en el Centro de Investigación Solar-Terrestre del NJIT. “La llamarada libera su poder en una región del sol mucho más vasta de lo esperado por el modelo clásico de llamaradas solares. Aunque otros han postulado que esto debe suceder, esta es la primera vez que el tamaño, la forma y la ubicación específicos de esta región clave tienen identificado, y se ha medido la eficiencia de la conversión de energía a la aceleración de partículas dentro de la llamarada”.

El descubrimiento sigue a estudios separados de 2020 publicados en Science and Nature Astronomy, donde las instantáneas detalladas de EOVSA de la llamarada y los cambios en el campo magnético del sol, tomadas en cientos de frecuencias de radio a la vez, inicialmente le dieron al equipo del NJIT una pista sobre la ubicación.

“Nuestros estudios recientes sugirieron que la cúspide de la llamarada podría ser el lugar donde se producen tales electrones de alta energía, pero no estábamos seguros”, explicó Bin Chen, profesor asociado del NJIT y coautor del artículo. “Originalmente habíamos descubierto una estructura similar a una botella magnética en el sitio que contenía una cantidad abrumadoramente grande de electrones en comparación con cualquier otro lugar de la llamarada, pero ahora con las nuevas mediciones de este estudio, podemos decir con más confianza que este es el acelerador de partículas de la llamarada.”

Usando las capacidades únicas de imágenes de microondas del EOVSA, el equipo pudo medir el espectro de energía de los electrones en cientos de ubicaciones de una llamarada solar de clase X provocada por una reconfiguración de las líneas del campo magnético a lo largo de la superficie del sol el 10 de septiembre de 2017.

“Las imágenes espectrales del EOVSA nos dieron un mapa completo del plasma térmico de la llamarada a medida que evolucionaba segundo a segundo. Pero para nuestra sorpresa, lo que encontramos fue un agujero misterioso en el mapa de plasma térmico que comenzó a desarrollarse en la cúspide de la llamarada”, dijo Gelu Nita, profesora investigadora del NJIT y coautora del artículo. “Más que eso, a medida que desaparecieron las partículas térmicas en la región, el agujero se llenó densamente con partículas no térmicas de alta energía”.

El análisis del equipo sacó a la luz un proceso de conversión de energía increíblemente eficiente dentro del acelerador de partículas de la llamarada solar, donde la energía intensa de los campos magnéticos del sol se libera rápidamente y se transfiere a energía cinética dentro de la región.

“Nos preguntamos qué tan eficiente sería este proceso de conversión de energía… ¿cuántas partículas en esta área se acelerarían más allá de la energía térmica de la explosión?” agregó Sijie Yu, coautor del estudio y profesor asistente de investigación del NJIT. “Usando datos ultravioleta extremos del sol, confirmamos que prácticamente no quedaban partículas dentro de la región a energías térmicas por debajo de unos pocos millones de Kelvin, de acuerdo con la medición de EOVSA de que todas las partículas habían sido aceleradas a energías no térmicas superiores a 20 keV o casi 100 millones de Kelvin”.

El equipo ahora dice que estos últimos hallazgos podrían ayudar a los científicos a estudiar preguntas fundamentales en la física de partículas que no son posibles en la Tierra, así como ofrecer nuevos conocimientos sobre cómo tales partículas de alta energía del sol pueden impactar en la Tierra durante futuros eventos climáticos espaciales.

“Un aspecto importante de este estudio es que dirige la atención de los teóricos a la ubicación precisa donde ocurre la mayor parte de la liberación de energía y la aceleración de partículas, y proporciona medidas cuantitativas para guiar los modelos numéricos”, dice Dale Gary, profesor distinguido del NJIT y director de EOVSA. “Sin embargo, para extender nuestras mediciones a regiones de erupciones mucho más amplias y eventos de erupciones más débiles pero más frecuentes, estamos desarrollando una matriz de radio de próxima generación dedicada a la energía solar llamada Radiotelescopio solar de frecuencia ágil, que será al menos 10 veces más grande y ordenará de magnitud más poderosa”.

“Todavía queremos investigar el mecanismo físico que impulsa la aceleración de partículas en las erupciones solares. Pero los estudios futuros deben tener en cuenta lo que sabemos ahora sobre estas enormes explosiones, tanto la liberación de energía principal en la región de la cúspide como la eficiencia del 100% en la que se carga la aceleración de partículas, ocurren”, dijo Fleishman. “Estos hallazgos requieren una revisión importante de los modelos que usamos para estudiar las erupciones solares y su impacto en la Tierra”.

Fuente: Phys.org.

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