Clúster desvela cómo arrancan los aceleradores naturales de partículas

Distintos tipos de arcos de choque
17 noviembre 2011

Los satélites Clúster de la ESA han descubierto que los aceleradores naturales de partículas son mucho más eficientes de lo que se pensaba. Por primera vez, se ha podido estudiar de cerca cómo arranca este proceso de aceleración en el Universo.

Todos los aceleradores de partículas necesitan un mecanismo de arranque. Por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN utiliza una serie de pequeños aceleradores que ponen en movimiento a las partículas antes de inyectarlas en el gran anillo de 27 km, donde continúan acelerándose hasta alcanzar la velocidad necesaria para realizar los experimentos.

En el espacio, los campos magnéticos aceleran a las partículas en movimiento hasta alcanzar velocidades cercanas a la de la luz, dando lugar a los rayos cósmicos que cruzan el Universo. Sin embargo, no son muy eficaces a la hora de poner en movimiento partículas en reposo.

La misión Clúster de la ESA ha descubierto que los aceleradores naturales de partículas del Universo utilizan un proceso muy similar a la aceleración ‘escalonada’ del LHC.

El 9 de enero de 2005 los cuatro satélites que forman la misión Clúster cruzaron el arco de choque magnético que rodea a nuestro planeta. La formación se alineó con las líneas del campo magnético para estudiar de cerca lo que le sucede a los electrones en una escala de tiempo muy corta, del orden de los 250 milisegundos.

Los datos demuestran que la temperatura de los electrones aumenta bruscamente, estableciendo unas condiciones favorables para arrancar un proceso de aceleración a mayor escala.

Los científicos sospechaban que los arcos de choque podrían causar este efecto, pero no habían sido capaces de estimar el tamaño de las capas del arco ni de estudiar los detalles del proceso. Hasta ahora.

Encuentro de Clúster con la Magnetopausa

Steven J. Schwartz y su equipo del Imperial College de Londres se basaron en los datos recogidos por Clúster para estimar el espesor del arco de choque. Este dato es fundamental ya que, cuanto más fino sea el arco, más fácil le resultará acelerar a las partículas. “Gracias a las observaciones de Clúster, descubrimos que el arco no podría ser más fino”, comenta Schwartz.

El concepto de ‘fino’ en este contexto hace referencia a unos 17 km de espesor. Los estudios anteriores no habían sido capaces de estimar el espesor de los arcos de choque magnéticos con una precisión mejor que 100 km.

Esta es la primera vez que se estudia con detalle la región donde comienza el proceso de aceleración de las partículas cósmicas.

Los resultados de esta investigación son de especial importancia porque los arcos de choque son un fenómeno que se produce por todo el Universo. Se generan siempre que un medio que fluye a gran velocidad se encuentra con un obstáculo o choca contra otro flujo.

Por ejemplo, un avión que vuela en régimen supersónico está chocando continuamente con la atmósfera, ya que el aire no tiene tiempo para apartarse de su camino. Las partículas se amontonan enfrente del avión formando una onda de choque que oímos como un estampido sónico.

En nuestro Sistema Solar, el Sol emite un flujo de partículas con carga eléctrica que se desplazan a gran velocidad. Cuando este viento solar se encuentra con el campo magnético de la Tierra, da lugar a un arco de choque permanente que conocemos como la Magnetopausa.

La misión Clúster ha sido fundamental para el estudio de esta región, y los resultados obtenidos en el entorno de nuestro planeta podrían extrapolarse a otras regiones del Universo. Los arcos de choque se pueden encontrar en el entorno de supernovas, de estrellas jóvenes, de los agujeros negros o incluso rodeando galaxias enteras. Se sospecha que podrían ser el origen de los rayos cósmicos de alta energía que surcan el cosmos.

Clúster ha demostrado que los arcos de choque de poco espesor podrían ser los responsables de poner en marcha el proceso de aceleración de partículas en estas regiones. Puede que no sea el único, pero sin duda es uno de los mecanismos de arranque de los aceleradores naturales de partículas.

“Estos resultados muestran el tamaño de la ‘caja negra’ que continúa ocultando los mecanismos responsables de la aceleración de las partículas en el Universo”, comenta Matt Taylor, Científico del Proyecto Clúster para la ESA.

“Una vez más, Clúster nos ha ayudado a comprender un fenómeno que ocurre en todo el Universo”.

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