Un nuovo studio ha scoperto che gli elettroni possono raggiungere energie ultrarelativistiche per condizioni molto speciali nella magnetosfera quando lo spazio è privo di plasma.

Recenti misurazioni della sonda spaziale Van Allen Probes della NASA hanno mostrato che gli elettroni possono raggiungere energie ultra-relativistiche volando quasi alla velocità della luce. Hayley Allison, Yuri Shprits e collaboratori del Centro di ricerca tedesco per le geoscienze hanno rivelato in quali condizioni si verificano accelerazioni così forti. Avevano già dimostrato nel 2020 che durante la tempesta solare le onde di plasma svolgono un ruolo cruciale per questo. Però, in precedenza non era chiaro il motivo per cui energie di elettroni così elevate non vengono raggiunte in tutte le tempeste solari. Nel diario Progressi scientifici , Allison, Shprits e colleghi ora mostrano che l'esaurimento estremo della densità del plasma di fondo è cruciale.

Elettroni ultrarelativistici nello spazio

A energie ultra-relativistiche, gli elettroni si muovono quasi alla velocità della luce. Allora le leggi della relatività diventano più importanti. La massa delle particelle aumenta di un fattore dieci, il tempo sta rallentando, e la distanza diminuisce. Con energie così elevate, le particelle cariche diventano le più pericolose anche per i satelliti meglio protetti. Poiché quasi nessuna schermatura può fermarli, la loro carica può distruggere l'elettronica sensibile. Prevedere il loro verificarsi, ad esempio come parte delle osservazioni del tempo spaziale praticate al GFZ, è quindi molto importante per le moderne infrastrutture.

Per studiare le condizioni per le enormi accelerazioni degli elettroni, Allison e Shprits hanno utilizzato i dati di una missione gemella, le sonde di Van Allen, che l'agenzia spaziale statunitense NASA aveva lanciato nel 2012. L'obiettivo era quello di effettuare misurazioni dettagliate nella fascia di radiazioni, la cosiddetta cintura di Van Allen, che circonda la Terra a forma di ciambella nello spazio terrestre. Qui, come nel resto dello spazio, una miscela di particelle cariche positivamente e negativamente forma un cosiddetto plasma. Le onde plasmatiche possono essere intese come fluttuazioni del campo elettrico e magnetico, eccitato dalle tempeste solari. Sono un'importante forza motrice per l'accelerazione degli elettroni.

Analisi dei dati con machine learning

Durante la missione, sono state osservate sia tempeste solari che hanno prodotto elettroni ultrarelativistici sia tempeste senza questo effetto. La densità del plasma di fondo si è rivelata un fattore decisivo per la forte accelerazione:si è osservato che gli elettroni con le energie ultrarelativistiche aumentano solo quando la densità del plasma scende a valori molto bassi di solo una decina di particelle per centimetro cubo, mentre normalmente tale densità è da cinque a dieci volte superiore.

Utilizzando un modello numerico che incorporava un esaurimento del plasma così estremo, gli autori hanno mostrato che i periodi di bassa densità creano condizioni preferenziali per l'accelerazione degli elettroni, da poche centinaia di migliaia iniziali a più di sette milioni di elettronvolt. Per analizzare i dati delle sonde Van Allen, i ricercatori hanno utilizzato metodi di apprendimento automatico, il cui sviluppo è stato finanziato dalla rete GEO.X. Hanno permesso agli autori di dedurre la densità totale del plasma dalle fluttuazioni misurate del campo elettrico e magnetico.

Il ruolo cruciale del plasma

"Questo studio mostra che gli elettroni nella fascia di radiazione terrestre possono essere prontamente accelerati localmente a energie ultra-relativistiche, se le condizioni dell'ambiente plasmatico (onde plasmatiche e densità plasmatica temporaneamente bassa) sono corrette. Le particelle possono essere considerate come surf su onde di plasma. Nelle regioni con densità di plasma estremamente bassa possono semplicemente assorbire molta energia dalle onde di plasma. Meccanismi simili possono essere all'opera nelle magnetosfere dei pianeti esterni come Giove o Saturno e in altri oggetti astrofisici, "dice Yuri Shprits, capo della sezione GFZ Fisica spaziale e meteorologia spaziale e professore all'Università di Potsdam.

"Così, per raggiungere energie così estreme, non è necessario un processo di accelerazione in due fasi, come a lungo ipotizzato, prima dalla regione esterna della magnetosfera nella cintura e poi all'interno. Ciò supporta anche i risultati della nostra ricerca dello scorso anno, " aggiunge Hayley Allison, PostDoc nella Sezione Fisica spaziale e meteorologia spaziale.