Los físicos resuelven un enigma que rodea a la aurora nórdico

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Las espectaculares y coloridas auroras boreales, o auroras boreales, que llenan el cielo en las regiones de latitudes altas han fascinado a la gente durante miles de años. Ahora, un equipo de científicos ha resuelto uno de los últimos misterios que rodean su origen.

Los científicos saben que los electrones y otras partículas energizadas que emanan del sol como parte del “viento solar” aceleran las líneas del campo magnético de la Tierra y llegan a la atmósfera superior, donde chocan con las moléculas de oxígeno y nitrógeno, llevándolas a un estado de excitación. . Estas moléculas luego se relajan emitiendo luz, produciendo los hermosos tonos verdes y rojos de la aurora.

Lo que no se ha entendido bien es exactamente cómo los grupos de electrones se aceleran a través del campo magnético en el último tramo de su viaje, alcanzando velocidades de hasta 45 millones de kilómetros por hora. En un estudio publicado hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza, esta pregunta es respondida por físicos de UCLA, Wheaton College, la Universidad de Iowa y el Space Science Institute.

Una teoría popular es que los electrones giran en las ondas de Alfvén, un tipo de onda electromagnética que las naves espaciales han identificado a menudo al viajar a la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético por encima de las auroras. Aunque la investigación espacial ha proporcionado un fuerte apoyo a la teoría, las limitaciones inherentes a las mediciones de las naves espaciales han impedido una prueba definitiva.

Para superar estas limitaciones, los físicos llevaron a cabo experimentos de laboratorio en el Dispositivo de plasma grande en la Instalación de ciencia básica del plasma de UCLA, un sitio de investigación colaborativa nacional con el apoyo conjunto del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.

Después de reproducir condiciones que imitaban las de la magnetosfera auroral de la Tierra, el equipo utilizó instrumentos especialmente diseñados para lanzar las ondas de Alfvén por la cámara de 20 metros de largo del dispositivo de plasma. Dado que se cree que las ondas de Alfvén recolectan solo una pequeña porción de electrones en el plasma del espacio, los físicos se enfocaron en determinar la presencia de electrones que parecían viajar a una velocidad comparable al campo eléctrico de las ondas.

“Este desafiante experimento requirió una medición de la población muy pequeña de electrones que se mueven alrededor de la cámara a casi la misma velocidad que las ondas de Alfvén, que cuenta menos de uno en mil electrones en el plasma”, dijo Troy Carter, profesor de física y director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Plasma de UCLA.

“Las mediciones revelaron que esta pequeña población de electrones experimenta una” aceleración resonante “del campo eléctrico de la onda de Alfvén, similar a un surfista que atrapa una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve con la ola, dijo Gregory Howes, profesor asociado de física en la Universidad de Iowa.

Howes señaló que estas ondas de Alfven aparecen después de tormentas geomagnéticas, fenómenos espaciales desencadenados por eventos violentos en el sol, como erupciones solares y eyecciones de masa coronal. Estas tormentas pueden causar lo que se conoce como “reconexión magnética” en el campo magnético de la Tierra, donde las líneas del campo magnético se estiran como bandas de goma, se rompen y luego se vuelven a conectar. Estos cambios lanzan ondas de Alfvén a lo largo de las líneas hacia la Tierra.

Y a medida que las regiones de reconexión magnética cambian durante una tormenta, las ondas de Alfvén, y los electrones de navegación que las acompañan, viajan a lo largo de diferentes líneas de campo durante ese período de tiempo, lo que finalmente conduce al resplandor brillante de las cortinas de luz de la aurora, dijo Carter.

En física, los electrones que navegan por el campo eléctrico de una onda es un fenómeno conocido como amortiguamiento de Landau, en el que la energía de la onda se transfiere a las partículas aceleradas. Como parte de su investigación, el equipo utilizó una técnica de análisis innovadora que combinó mediciones de campo eléctrico de ondas de Alfvén y electrones para generar una firma única de aceleración de electrones mediante la amortiguación de Landau. A través de simulaciones numéricas y modelos matemáticos, los investigadores demostraron que la firma de aceleración medida en el experimento concordaba con la firma predicha para la amortiguación de Landau.

El acuerdo de experimento, simulación y modelado proporciona la primera prueba directa que muestra que las ondas de Alfvén pueden producir electrones acelerados que causan auroras, dijo Carter.

“Esta confirmación experimental de la física detrás de la aurora se debe al persistente ingenio de los grupos de investigación de la Universidad de Iowa y UCLA”, dijo Vyacheslav (Slava) Lukin, director del programa de física del plasma en la National Science Foundation, que no fue involucrado en la investigación. “Desde el apoyo a los estudiantes a través de una beca de investigación de posgrado de NSF, hasta el programa NSF CAREER para profesores de carrera temprana, hasta la asociación de 25 años entre NSF y el Departamento de Energía que permitió las capacidades únicas de Basic Plasma Science Facility, esto es un éxito historia de un descubrimiento hecho posible por el apoyo constante de la comunidad investigadora universitaria “.

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