Una simulación por computadora identifica el origen de electrones de alta velocidad que causan auroras en el espacio. La cola magnética de la tierra es mucho más larga de lo que se creía.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Un misterioso fenómeno detectado por sondas espaciales finalmente ha sido explicado, gracias a una masiva simulación por computadora que pudo alinearse precisamente con detalles de las observaciones de las sondas espaciales. El hallazgo no solo resuelve un enigma astrofísico, sino que también podría llevar a una mejor habilidad para predecir corrientes de electrones de alta energía en el espacio que podrían dañar satélites.
Jan Egedal, un profesor asociado de física en el MIT y un investigador en el Centro de Ciencia y Fusión de Plasma, trabajando con el estudiante graduado del MIT Ari Le y con William Daughton del Laboratorio Nacional Los Álamos (LANL – Los Alamos National Laboratory), reportan esta solución al acertijo espacial en una revista académica publicada el 26 de Febrero en el diario “Nature Physics”.
Egedal propuso inicialmente una teoría para explicar esta aceleración de electrones a gran escala en la cola magnética de la Tierra, un vasto e intenso campo magnético barrido hacia afuera por el viento solar – pero hasta que los nuevos datos fueron obtenidos de la simulación por computadora, “solía ser que la gente decía que ésta era una idea loca,” dijo Egedal. Gracias a los nuevos datos, “ya no me dicen eso”, dice.
La simulación muestra que una región activa de la cola magnética de la tierra, donde eventos de “reconexión” se llevan a cabo en el campo magnético, es apenas 1,000 veces más grande de lo que se había pensado. Esto significa que el volumen del espacio energizado por estos eventos magnéticos es suficiente para explicar los grandes números de electrones de alta velocidad detectados por varias misiones de naves espaciales, incluyendo la misión Cluster.
Resolver el problema requirió una impresionante cantidad de poder de computación de una de las supercomputadoras más avanzadas del mundo, en el Instituto Nacional para Ciencia Computacional en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. La computadora, llamada Kraken, tiene 112,000 procesadores trabajando en paralelo y consume tanta electricidad como una población pequeña. El estudio utilizó 25,000 de estos procesadores por 11 días para seguir el movimiento de 180 mil millones de partículas simuladas en el espacio sobre un evento de reconexión magnética, dijo Egedal. El tiempo de procesamiento se acumuló gradualmente, metido durante los tiempos inactivos entre otras tareas. La simulación fue realizada usando un código de plasma físico desarrollado en LANL que rigurosamente analiza la evolución de la reconexión magnética.
Egedal explica que conforme el viento solar estira las líneas del campo magnético de la tierra, el campo guarda energía como una liga que está siendo estirada. Cuando las líneas del campo paralelo de pronto se reconectan, liberan esa energía toda a la vez – como soltar la liga. Esta liberación de energía es lo que empuja a los electrones con gran energía (decenas de miles de voltios) de vuelta hacia la tierra, donde impactan la atmósfera alta. Se piensa que el impacto, directa o indirectamente, genera el plasma que brilla en la atmósfera alta llamado aurora, produciendo espectaculares muestras en el cielo nocturno.
Lo que tenía desconcertados a los físicos es el número de electrones energéticos generados en dichos eventos. De acuerdo a la teoría, debería ser imposible sustentar un campo eléctrico a lo largo de la dirección de las líneas del campo magnético, por que el plasma (gas cargado eléctricamente) en la cola magnética debería ser un conductor casi perfecto. Pero dicho campo es solo lo que es necesario para acelerar los electrones. Y, de acuerdo a la nueva simulación, el volumen del espacio donde dichos campos pueden formarse puede, de hecho, ser al menos 1,000 veces más largo que lo que los teóricos han pensado posible – y por lo tanto lo suficientemente largo para explicar los electrones observados.
“La gente ha estado pensando que esta región es pequeña”, Egedal dijo. Pero ahora, “al analizar los datos de las naves espaciales y hacer la simulación, hemos mostrado que puede ser muy larga, y puede acelerar muchos electrones”. Como resultado, “por vez primera, podemos reproducir las características” observadas por la nave espacial Cluster.
Esto podría ser importante por que, entre otras cosas, “estos electrones podrían destruir naves espaciales”, dijo Egedal, que es por lo que el ejército y la NASA “querrán entender mejor esto”.
Aunque este análisis fue específico al fenómeno en la cola magnética de la tierra, Egedal dijo que fenómenos similares podrían estarse llevando a cabo en regiones mucho más grandes de plasma magnetizado en el espacio – como en eyecciones masivas que salen de la corona solar, que ocupan regiones 10,000 veces más grandes, o incluso regiones que rodean a pulsares u otros objetos de alta energía en lo profundo del espacio, que aún son mucho más grandes. En el futuro, espera poder llevar a cabo simulaciones que aplicarían a las eyecciones de masa coronal del Sol. “Pensamos que podemos escalar la simulación” hasta en 100 veces dice.
Michael Brown, un profesor de física del colegio Swarthmore quien no estuvo involucrado en esta investigación, dice que Egedal “esta emergiendo como un líder en aspectos experimentales y observacionales de reconexión magnética”, y su co-autor Daughton “es el líder reconocido en lo último en simulaciones de plasma”. El nuevo resultado “es muy significativo, y pienso que es sorprendente para el resto de la comunidad. Pienso que esta imagen ganará más y más aceptación, y tendremos que ir más allá” de la imagen aceptada actualmente de los plasmas, dijo.
El trabajo fue apoyado por subsidios de la NASA y la Fundación Nacional de Ciencia.
Reimpreso con permiso de MIT News.
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http://web.mit.edu/ (en inglés)