In alto sopra la superficie, Il campo magnetico terrestre devia costantemente le particelle supersoniche in arrivo dal sole. Queste particelle sono disturbate nelle regioni appena al di fuori del campo magnetico terrestre e alcune si riflettono in una regione turbolenta chiamata scossa premonitrice. Nuove osservazioni della missione THEMIS della NASA mostrano che questa regione turbolenta può accelerare gli elettroni fino a velocità che si avvicinano alla velocità della luce. Tali particelle estremamente veloci sono state osservate nello spazio vicino alla Terra e in molti altri luoghi dell'universo, ma i meccanismi che le accelerano non sono ancora stati compresi concretamente.

I nuovi risultati forniscono i primi passi verso una risposta, aprendo altre domande. La ricerca ha scoperto che gli elettroni possono essere accelerati a velocità estremamente elevate in una regione più lontana dalla Terra di quanto si pensasse in precedenza possibile, portando a nuove indagini su ciò che causa l'accelerazione. Questi risultati possono cambiare le teorie accettate su come gli elettroni possono essere accelerati non solo negli shock vicino alla Terra, ma anche in tutto l'universo. Avere una migliore comprensione di come vengono eccitate le particelle aiuterà scienziati e ingegneri ad equipaggiare meglio i veicoli spaziali e gli astronauti per affrontare queste particelle, che possono causare il malfunzionamento delle apparecchiature e influenzare i viaggiatori spaziali.

"Questo riguarda praticamente ogni campo che si occupa di particelle ad alta energia, dagli studi sui raggi cosmici ai brillamenti solari e alle espulsioni di massa coronale, che hanno il potenziale per danneggiare i satelliti e influenzare gli astronauti nelle spedizioni su Marte, " ha detto Lynn Wilson, autore principale dell'articolo su questi risultati presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

I risultati, pubblicato in Lettere di revisione fisica il 14 novembre, 2016, descrivere come tali particelle possono essere accelerate in regioni specifiche appena oltre il campo magnetico terrestre. Tipicamente, una particella che scorre verso la Terra incontra prima una regione di confine nota come shock d'arco, che forma una barriera protettiva tra il sole e la Terra. Il campo magnetico nell'urto di prua rallenta le particelle, facendo deviare la maggior parte dalla Terra, sebbene alcuni siano riflessi verso il sole. Queste particelle riflesse formano una regione di elettroni e ioni chiamata regione di shock previsionale.

Alcune di quelle particelle nella regione della scossa premonitrice sono altamente energetiche, elettroni e ioni in rapido movimento. Storicamente, gli scienziati hanno pensato che un modo in cui queste particelle raggiungono energie così elevate è rimbalzando avanti e indietro attraverso l'urto di prua, guadagnando un po' di energia in più da ogni collisione. Però, le nuove osservazioni suggeriscono che le particelle possono anche guadagnare energia attraverso l'attività elettromagnetica nella stessa regione della scossa.

Le osservazioni che hanno portato a questa scoperta sono state prese da uno dei satelliti delle missioni THEMIS, abbreviazione di Time History of Events e Macroscale Interactions during Substorms. I cinque satelliti THEMIS hanno fatto il giro della Terra per studiare come la magnetosfera del pianeta ha catturato e rilasciato l'energia eolica solare, per capire cosa avvia le sottotempeste geomagnetiche che causano l'aurora. Le orbite di THEMIS hanno portato il veicolo spaziale attraverso le regioni di confine delle scosse previsionali. La missione primaria THEMIS si è conclusa con successo nel 2010 e ora due dei satelliti raccolgono dati in orbita intorno alla luna.

Operando tra il sole e la Terra, la navicella ha trovato elettroni accelerati a energie estremamente elevate. Le osservazioni accelerate sono durate meno di un minuto, ma erano molto più alti dell'energia media delle particelle nella regione, e molto più alto di quanto possa essere spiegato dalle sole collisioni. Le osservazioni simultanee dei veicoli spaziali Wind e STEREO non hanno mostrato esplosioni radio solari o shock interplanetari, quindi gli elettroni ad alta energia non hanno avuto origine dall'attività solare.

"Questo è un caso sconcertante perché stiamo vedendo elettroni energetici dove non pensiamo che dovrebbero essere, e nessun modello si adatta a loro, " ha detto David Sibeck, co-autore e scienziato del progetto THEMIS presso la NASA Goddard. "C'è una lacuna nella nostra conoscenza, manca qualcosa di fondamentale".

Anche gli elettroni non possono aver avuto origine dallo shock dell'arco, come si era pensato in precedenza. Se gli elettroni fossero accelerati nello shock di prua, avrebbero una direzione e una posizione di movimento preferite - in linea con il campo magnetico e allontanandosi dall'urto dell'arco in un piccolo, regione specifica. Però, gli elettroni osservati si muovevano in tutte le direzioni, non solo lungo le linee del campo magnetico. Inoltre, lo shock d'arco può produrre solo energie a circa un decimo delle energie degli elettroni osservati. Anziché, la causa dell'accelerazione degli elettroni è risultata essere all'interno della stessa regione della scossa.

"Sembra suggerire che le cose su scala incredibilmente piccola stiano facendo questo perché le cose su larga scala non possono spiegarlo, " disse Wilson.

Particelle ad alta energia sono state osservate nella regione delle scosse previsionali per più di 50 anni, ma fino ad ora, nessuno aveva visto gli elettroni ad alta energia provenire dall'interno della regione della scossa premonitrice. Ciò è in parte dovuto al breve lasso di tempo su cui gli elettroni vengono accelerati, poiché le osservazioni precedenti avevano una media di diversi minuti, che potrebbe aver nascosto qualsiasi evento. THEMIS raccoglie le osservazioni molto più rapidamente, rendendolo unicamente in grado di vedere le particelle.

Prossimo, i ricercatori intendono raccogliere più osservazioni da THEMIS per determinare il meccanismo specifico dietro l'accelerazione degli elettroni.