Roma – Gli scienziati hanno fatto un passo avanti nella comprensione di come le onde d’urto senza collisioni, presenti in tutto l’universo, siano in grado di accelerare le particelle a velocità estreme. Queste onde d’urto rappresentano uno degli acceleratori di particelle più potenti in natura e da tempo affascinano gli scienziati per il ruolo che svolgono nella produzione di raggi cosmici, particelle ad alta energia che percorrono grandi distanze nello spazio. La ricerca, pubblicata su Nature Communications , combina le osservazioni satellitari delle missioni MMS (Magnetospheric Multiscale) e THEMIS/ARTEMIS della NASA con i recenti progressi teorici, offrendo un nuovo modello completo per spiegare l’accelerazione degli elettroni in ambienti d’urto senza collisioni.
Il meccanismo principale per spiegare l’accelerazione degli elettroni a energie relativistiche è chiamato accelerazione di Fermi o Diffusive Shock Acceleration (DSA). Tuttavia, questo meccanismo richiede che gli elettroni siano inizialmente energizzati a una specifica energia di soglia prima di essere accelerati in modo efficiente dalla DSA. Cercare di affrontare il modo in cui gli elettroni raggiungono questa energia iniziale è noto come “problema dell’iniezione”.
Questo nuovo studio fornisce informazioni chiave sul problema dell’iniezione di elettroni, dimostrando che gli elettroni possono essere accelerati a energie elevate attraverso l’interazione di vari processi su più scale.
Utilizzando dati in tempo reale provenienti dalla missione MMS, che misura l’interazione della magnetosfera terrestre con il vento solare, e dalla missione THEMIS/ARTEMIS, che studia l’ambiente del plasma a monte vicino alla Luna, il team di ricerca ha osservato un fenomeno su larga scala, dipendente dal tempo (vale a dire transitorio), a monte dell’onda d’urto terrestre, il 17 dicembre 2017.
Durante questo evento, gli elettroni nella regione pre-shock della Terra (un’area in cui il vento solare è pre-disturbato dall’interazione con l’onda d’urto di prua) hanno raggiunto livelli di energia senza precedenti, superando i 500 keV.
Si tratta di un risultato sorprendente, dato che gli elettroni osservati nella regione pre-shock si trovano tipicamente a energie di circa 1 keV.
Questa ricerca suggerisce che questi elettroni ad alta energia sono stati generati dalla complessa interazione di molteplici meccanismi di accelerazione, tra cui l’interazione degli elettroni con varie onde di plasma, strutture transitorie nella scossa premonitrice e l’onda d’urto di prua della Terra.
Tutti questi meccanismi agiscono insieme per accelerare gli elettroni da basse energie ~ 1 keV fino alle energie relativistiche che raggiungono i 500 keV osservati, dando luogo a un processo di accelerazione degli elettroni particolarmente efficiente.
Perfezionando il modello di accelerazione degli urti, questo studio fornisce nuove informazioni sul funzionamento dei plasmi spaziali e sui processi fondamentali che regolano il trasferimento di energia nell’universo.
Di conseguenza, la ricerca apre nuove strade alla comprensione della generazione dei raggi cosmici e offre uno sguardo su come i fenomeni all’interno del nostro sistema solare possano guidarci nella comprensione dei processi astrofisici in tutto l’Universo.
Il dott. Raptis ritiene che studiare i fenomeni su scale diverse sia fondamentale per comprendere la natura. “La maggior parte della nostra ricerca si concentra su effetti su piccola scala, come le interazioni onda-particella, o su proprietà su larga scala, come l’influenza del vento solare”, afferma.
“Tuttavia, come abbiamo dimostrato in questo lavoro, combinando fenomeni su scale diverse, siamo stati in grado di osservare la loro interazione che alla fine energizza le particelle nello spazio”.
Il dott. Ahmad Lalti ha aggiunto: “Uno dei modi più efficaci per approfondire la nostra comprensione dell’universo in cui viviamo è utilizzare il nostro ambiente di plasma vicino alla Terra come laboratorio naturale.
“In questo lavoro, utilizziamo l’osservazione in situ di MMS e THEMIS/ARTEMIS per mostrare come diversi processi fondamentali del plasma a diverse scale lavorino di concerto per energizzare gli elettroni da basse energie fino ad alte energie relativistiche.
“Questi processi fondamentali non sono limitati al nostro sistema solare e si prevede che si verifichino in tutto l’universo.
“Ciò rende il nostro quadro proposto rilevante per comprendere meglio l’accelerazione degli elettroni fino alle energie dei raggi cosmici in strutture astrofisiche distanti anni luce dal nostro sistema solare, come in altri sistemi stellari, resti di supernovae e nuclei galattici attivi”.(30Science.com)
