Científicos reproducen la dinámica detrás de los choques astrofísicos

Llamarada solar registrada por la NASA. Crédito: NASA.

Las ondas de choque de alta energía impulsadas por las erupciones solares y las eyecciones de plasma de masa coronal del sol estallan en todo el sistema solar, desencadenando tormentas espaciales magnéticas que pueden dañar los satélites, interrumpir el servicio de telefonía celular y las redes eléctricas apagadas en la Tierra. También alimentan las ondas de alta energía el viento solar -- plasma que fluye constantemente del sol y golpea el campo magnético protector de la Tierra. 

Ahora, los experimentos dirigidos por investigadores del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) en el Centro de Heliofísica de Princeton han reproducido por primera vez el proceso detrás de la fuente de tales choques. Los hallazgos cierran la brecha entre las observaciones de laboratorio y de naves espaciales y permiten comprender mejor cómo funciona el universo. 

Saltos repentinos 

Los experimentos, publicados en Physical Review Letters, muestran cómo la interacción del plasma, el estado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, o iones, puede causar saltos repentinos en la presión del plasma y la fuerza del campo magnético que pueden acelerar las partículas hasta cerca la velocidad de la luz. Tales choques son "sin colisión" porque están formados por la interacción de ondas y partículas de plasma en lugar de por colisiones entre las propias partículas. 

La investigación produjo la medición del período previo completo a los choques. "La medición directa es una forma elegante de ver cómo las partículas se mueven e interactúan", dijo el físico Derek Schaeffer de PPPL y la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación. "Nuestro artículo muestra que podemos emplear un poderoso diagnóstico para estudiar los movimientos de partículas que conducen a los choques". 

La investigación, realizada en las instalaciones de láser Omega en la Universidad de Rochester, produjo un plasma impulsado por láser, llamado plasma de "pistón", que se expandió a una velocidad supersónica de más de un millón de millas por hora a través de un preexistente plasma ambiental. La expansión aceleró los iones en el plasma ambiental a velocidades de aproximadamente medio millón de millas por hora, simulando al precursor a choques sin colisiones que ocurren en todo el cosmos. 

La investigación se desarrolló en varias etapas: 

• Primero, la creación del plasma de pistón reprodujo los plasmas supersónicos que se forman en el espacio exterior. El pistón actuó como un quitanieves, barriendo iones en el plasma ambiental incrustado en un campo magnético. 
• A medida que se barrían más de estos iones, formaban una barrera que impedía que el pistón actuara más. "Una vez que ha acumulado suficiente 'nieve', la descarga se desacopla del pistón", dijo Schaeffer. 
• El pistón detenido transmitió la formación del choque al plasma magnetizado altamente comprimido, que dio lugar al repentino salto sin colisión. 

Los investigadores utilizaron un diagnóstico llamado dispersión de Thompson para rastrear estos desarrollos. El diagnóstico detecta la luz láser dispersada por los electrones en el plasma, lo que permite medir la temperatura y la densidad de los electrones y la velocidad de los iones que fluyen. Los resultados, escriben los autores, muestran que los experimentos de laboratorio pueden probar el comportamiento de las partículas de plasma en el precursor de los choques astrofísicos sin colisión, "y pueden complementar y, en algunos casos, superar las limitaciones de mediciones similares realizadas por misiones de naves espaciales". 

Meta final 

Si bien esta investigación reprodujo el proceso que desencadena los choques, el objetivo final es medir las partículas aceleradas por los propios choques. Para ese paso, dijo Schaeffer, "el mismo diagnóstico se puede usar una vez que desarrollemos la capacidad de conducir choques lo suficientemente fuertes. Como beneficio adicional", agrega, "este diagnóstico es similar a cómo las naves espaciales miden los movimientos de partículas en los choques espaciales, así que en el futuro los resultados se pueden comparar directamente". 

Fuente: DOE/Princeton Plasma Physics Laboratory,