Durante décadas, los científicos han estado tratando de resolver un problema desconcertante sobre el clima en el espacio exterior : en momentos impredecibles, partículas de alta energa bombardean la tierra y los objetos fuera de la atmósfera terrestre con radiación que puede poner en peligro la vida de los astronautas y destruir la electrónica de los satélites. equipo. Estos brotes pueden incluso desencadenar lluvias de radiación lo suficientemente fuertes como para alcanzar a los pasajeros en aviones que vuelan sobre el Polo Norte. A pesar de los mejores esfuerzos de los científicos, sigue siendo difícil identificar un patrón claro de cómo y cuándo ocurrirán los brotes.

Esta semana, en un artículo en The Astrophysical Journal Letters, los autores Luca Comisso y Lorenzo Sironi del Departamento de Astronomía y el Laboratorio de Astrofísica de Columbia, han utilizado por primera vez supercomputadoras para simular cuándo y cómo nacen partículas de alta energía en entornos turbulentos como que en la atmósfera del sol. Esta nueva investigación allana el camino para predicciones más precisas de cuándo ocurrirán explosiones peligrosas de estas partículas.

«Esta nueva y emocionante investigación nos permitirá predecir mejor el origen de las partículas energéticas solares y mejorar los modelos de pronóstico de eventos meteorológicos espaciales, un objetivo clave de la NASA y otras agencias espaciales y gobiernos de todo el mundo», dijo Comisso. Dentro de los próximos dos años, agregó, la sonda solar Parker de la NASA, la nave espacial más cercana al sol, podría validar los hallazgos del artículo al observar directamente la distribución prevista de partículas de alta energía que se generan en la atmósfera exterior del sol.

En su artículo, «Aceleración de iones y electrones en la turbulencia de plasma completamente cinética», Comisso y Sironi demuestran que los campos magnéticos en la atmósfera exterior del sol pueden acelerar iones y electrones hasta velocidades cercanas a la velocidad de la luz. El sol y la atmósfera exterior de otras estrellas consisten en partículas en estado de plasma, un estado altamente turbulento distinto de los estados líquido, gaseoso y sólido. Los científicos han creído durante mucho tiempo que el plasma del sol genera partículas de alta energía. Pero las partículas en el plasma se mueven de manera tan errática e impredecible que hasta ahora no han podido demostrar completamente cómo y cuándo ocurre esto.

Usando supercomputadoras en Columbia, NASA y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, Comisso y Sironi crearon simulaciones por computadora que muestran los movimientos exactos de electrones e iones en el plasma solar. Estas simulaciones imitan las condiciones atmosféricas del sol y proporcionan los datos más extensos recopilados hasta la fecha sobre cómo y cuándo se formarán las partículas de alta energía.

La investigación proporciona respuestas a preguntas que los científicos han estado investigando durante al menos 70 años: En 1949, el físico Enrico Fermi comenzó a investigar los campos magnéticos en el espacio exterior como una fuente potencial de las partículas de alta energía (a las que llamó rayos cósmicos) que fueron observados entrando en la atmósfera terrestre. Desde entonces, los científicos han sospechado que el plasma solar es una fuente importante de estas partículas, pero probarlo definitivamente ha sido difícil.

La investigación de Comisso y Sironi, que se llevó a cabo con el apoyo de la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias, tiene implicaciones mucho más allá de nuestro propio sistema solar. La gran mayoría de la materia observable en el universo se encuentra en estado de plasma. Comprender cómo algunas de las partículas que constituyen el plasma pueden acelerarse a niveles de alta energía es una nueva área de investigación importante, ya que las partículas energéticas se observan de forma rutinaria no solo alrededor del sol, sino también en otros entornos del universo, incluidos los alrededores de agujeros negros y estrellas de neutrones

Si bien el nuevo artículo de Comisso y Sironi se enfoca en el sol, se podrían ejecutar más simulaciones en otros contextos para comprender cómo y cuándo las estrellas distantes, los agujeros negros y otras entidades en el universo generarán sus propios estallidos de energía.

«Nuestros resultados se centran en el sol, pero también pueden verse como un punto de partida para comprender mejor cómo se producen las partículas de alta energía en las estrellas más distantes y alrededor de los agujeros negros», dijo Comisso. «Solo hemos arañado la superficie de lo que las simulaciones de supercomputadoras pueden decirnos sobre cómo nacen estas partículas en todo el universo».