Nuestros más potentes aceleradores de partículas imitan las velocidades de las partículas cósmicas, que casi son como la de la luz. Sin embargo, no podrá haber una actualización de esas máquinas capaz de replicar la extrema complejidad de los objetos más violentos que hay en el universo. Para entender estos entornos los astrónomos utilizan planetas enteros como laboratorios naturales, y entre ellos está la tumultuosa magnetósfera de Júpiter.
En un trabajo publicado hoy en Nature los investigadores describen la forma en que los electrones se aceleran hasta casi la velocidad de la luz en el arco de choque de Júpiter. El arco de choque es una región de gran densidad y cambios de presión, creado cuando la magnetósfera del planeta colisiona con el viento solar. Al inspeccionarlo con mayor detenimiento el equipo descubrió que la zona turbulenta que se conoce como premonitor forma aceleradores naturales de enorme tamaño que superan en potencia la fuerza del límite de choque. Lo importante es que el mismo proceso parece aplicarse a escalas cósmicas, mucho más allá de nuestro sistema solar.
«Tomamos un mecanismo que demostramos en la Tierra, hallamos un análogo claro en Júpiter, y mostramos que la física que subyace al mecanismo se generaliza”, le dijo a Gizmodo Savvas Raptis, autor principal del trabajo e investigador en el Laboratorio Johns Hopkins de Física Aplicada. “Eso sugiere que la física que podemos medir en nuestro planeta podría gobernar cómo obtienen su energía los rayos cósmicos (partículas que bombardean la Tierra constantemente), en algunos de los objetos más violentos del universo”.
Colisiones vacías
En comparación con la densa atmósfera de la Tierra el espacio está relativamente vacío. Como resultado, las partículas interactúan a través de campos electromagnéticos por medio de choques “sin colisión” que existen en todas partes, desde los planetas magnetizados a los cometas y los remanentes de supernovas, y en chorros que giran en torno a las jóvenes estrellas, explicó Raptis. Cuando los flujos supersónicos como los vientos solares golpean el campo magnético de un planeta, los choques sin colisión que resultan de ello adoptan la forma de una proa de barco, como un arco, y por eso el nombre arco de choque.
En trabajos anteriores Raptis y sus colegas descubrieron que estos arcos de choque de la Tierra en realidad son muy buenos aceleradores de partículas. Naturalmente, el equipo quiso saber si esto valía también para otros planetas y, en ese caso, si sería posible formular un modelo de física extrema de partículas aplicable al cosmos en general.
Muy chocante
Según Raptis, es difícil observar directamente los choques sin colisión ya que “hace falta una nave espacial que esté en el lugar correcto en el momento correcto”. En cuanto a los objetos más distantes como los remanentes de supernovas, solo podemos inferir lo sucedido por medio de los datos de un telescopio o por rayos X o radiación de rayos gamma. En tal sentido el equipo fue afortunado. La sonda Juno de la NASA estaba provista de dos instrumentos, JEDI y JADE, capaces de transmitir información valiosa sobre la velocidad, la dirección del flujo y la cantidad de electrones y iones que giran en torno a Júpiter.
El equipo sintió sorpresa al ver que los datos no seguían del todo la imagen “estándar” que predice que la mayor parte de la acción ocurre en el límite del arco de choque. En cambio, las partículas del premonitor rebotaban todo el tiempo y adquirían más energía cada vez y algunas alcanzaban velocidades relativistas.
“Habíamos visto indicios de esto en la Tierra, pero verlo en Júpiter eliminó toda ambigüedad”, dijo Raptis. “Estas estructuras transitorias en las corrientes de choque podrían ser los impulsores que dominan la aceleración de partículas en entornos mucho más extremos que nuestro planeta”, afirmó Raptis.
Una extensión cósmica
Tal vez, lo más saliente es que el equipo construyó un modelo que podría aplicarse a fenómenos similares en el universo, y eso sería un “paso decididamente osado” que “unificaría la física de la aceleración de choque a escalas que difieren en caso diez órdenes de magnitud”, escribió en News & Views Martin E. Pessah, investigador de la Universidad de Copenhague, Dinamarca, que no participó de este trabajo.
“La conexión se apoya en tres pilares”, explicó Raptis. Ante todo, la física de los choques sin colisión, ya sea en torno a supernovas distantes, o de la Tierra y Júpiter, están gobernadas por los mismos procesos. En segundo lugar, hay factores ambientales similares. Y por último, los choques astrofísicos son “muchísimo más potentes” que los choques planetarios y en realidad, son más capaces de soportar estructuras de gran tamaño en el caso de los transitorios que impulsan partículas, afirmó.
“Siempre es un riesgo extrapolar un modelo”, le dijo a Gizmodo Philip Valek, investigador del Instituto Southwest de Investigaciones, que no participó del nuevo trabajo. Valek fue jefe de instrumentos de JADE, y observó que las predicciones parecen “concordar notablemente bien en el caso de chorros protoestelares y remanentes de supernovas”.
Pessah añadió que los astrónomos todavía no comprenden del todo los entornos físicos cercanos a los exoplanetas calientes de Júpiter, por lo que todavía tienen que ver si la propuesta de los autores podría aplicarse también a esos sistemas.
Nuestro enorme vecino
Raptis conoce estos señalamientos, y le habló a Gizmodo los obvios desafíos de enviar naves espaciales a remanentes de supernovas. Sin embargo, como el marco de la propuesta es consistente “eso nos da razones para tomarlo en serio”, afirmó.
Las naves Europa Clipper y Juice, que hoy se dirigen hacia Júpiter, llevan instrumentos relevantes que ataavesarán el arco de choque de Júpiter en diferentes etapas de sus respectivas misiones. Raptis y sus colegas planean prestar mucha atención a los datos que transmitan estas naves espaciales.
Los hallazgos hablan del valor de las naves espaciales que se envían para estudiar nuestro vecindario cósmico, opinó Raptis. Y por supuesto, los astrónomos saben que no hay que apresurarse a incluir al universo entero en las observaciones locales, pero la sola proximidad a lo que sea en el sistema solar, nos brinda la inusual oportunidad de medir directamente procesos importantes.
“Es eso lo que le da tanto valor a las observaciones de las naves espaciales: nuestro sistema solar se convierte en un laboratorio en el que podemos ver de cerca cómo se desarrollan estos procesos”, explicó. “Cada misión, a cualquier planeta, es una oportunidad para que aprendamos algo, no solo sobre nuestro vecindario sino también en lo que refiere a cómo funciona el universo”.
