Come fanno gli elettroni a raggiungere quasi la velocità della luce?
Una nuova ricerca ha dimostrato che gli elettroni possono raggiungere energie ultrarelativistiche in condizioni molto speciali nella magnetosfera, quando lo spazio è privo di plasma.
Recenti misurazioni dai satelliti Van Allen Probes della NASA hanno dimostrato che gli elettroni possono raggiungere energie ultrarelativistiche, volando quasi alla velocità della luce.
I dipendenti del Centro di ricerca tedesco per le geoscienze hanno scoperto in quali condizioni si verificano accelerazioni così forti. Nel 2020, hanno già dimostrato che le onde di plasma svolgono un ruolo cruciale in questo durante le tempeste solari. Tuttavia, in precedenza non era chiaro il motivo per cui energie di elettroni così elevate non si ottengono in tutte le tempeste solari. Gli scienziati mostrano in Science Advances che ridurre drasticamente la densità del plasma di fondo è fondamentale.
Elettroni ultrarelativistici nello spazio
A energie ultrarelativistiche, gli elettroni si muovono quasi alla velocità della luce. Allora le leggi della relatività diventano più importanti.
La massa delle particelle aumenta di dieci volte, il tempo rallenta, la distanza diminuisce. A queste alte energie, le particelle cariche diventano le più pericolose anche per i satelliti più protetti.
Poiché quasi nessuna protezione può fermarli, la loro carica può distruggere l'elettronica sensibile. Pertanto, prevedere il loro verificarsi - ad esempio, come parte delle osservazioni di meteorologia spaziale praticate presso il GFZ - è molto importante per le infrastrutture moderne.
Per indagare sulle condizioni dell'enorme accelerazione degli elettroni, gli scienziati hanno utilizzato i dati della doppia missione Van Allen Probes, lanciata dall'agenzia spaziale della NASA nel 2012. L'obiettivo era effettuare misurazioni dettagliate nella cintura di radiazioni.
Questa è la cosiddetta cintura di Van Allen che circonda la Terra. Qui, come nel resto dello spazio, una miscela di particelle caricate positivamente e negativamente forma il cosiddetto plasma. Le onde del plasma possono essere intese come fluttuazioni nei campi elettrici e magnetici generati dalle tempeste solari. Sono un'importante forza motrice dietro l'accelerazione degli elettroni.
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 una forte accelerazione: gli elettroni con energia ultrarelativistica apparivano solo quando la densità del plasma scendeva a valori molto bassi, solo una decina di particelle per centimetro cubo, mentre questa densità è solitamente da cinque a dieci volte più alto.
Utilizzando un modello numerico che coinvolge un tale esaurimento plasmatico estremo, gli autori hanno dimostrato che i periodi di bassa densità creano condizioni favorevoli per accelerare gli elettroni, da alcune centinaia di migliaia iniziali a oltre sette milioni di elettronvolt.
Per analizzare i dati delle sonde Van Allen, i ricercatori hanno utilizzato metodi di apprendimento automatico finanziati dalla rete GEO.X. Hanno permesso agli autori di determinare la densità totale del plasma dalle fluttuazioni misurate dei campi elettrici e magnetici.
Il plasma è fondamentale
"Questo studio mostra che gli elettroni nella cintura di radiazione della Terra possono essere rapidamente accelerati localmente a energie ultrarelativistiche se le condizioni dell'ambiente del plasma - onde di plasma e densità di plasma temporaneamente bassa - sono corrette. Nelle aree di densità di plasma estremamente bassa, le particelle possono disegnare un molta energia dalle onde del plasma. Meccanismi simili possono funzionare nelle magnetosfere dei pianeti esterni come Giove o Saturno e in altri oggetti astrofisici ", afferma Yuri Shprits, professore presso l'Università di Potsdam.
Pertanto, per ottenere energie così estreme, non è necessario un processo di accelerazione a due stadi, come è stato a lungo ipotizzato: prima dalla regione esterna della magnetosfera alla cintura, e poi verso l'interno. Ciò conferma anche i risultati della nostra ricerca dell'anno scorso.