La regione dello spazio intorno alla Terra può sembrare molto tranquilla, ma ci sono diverse cose che non possiamo vedere. Negli ultimi anni, le sonde che studiano le radiazioni intrappolate dal campo magnetico terrestre e le tempeste solari hanno fatto una scoperta interessante: elettroni che viaggiano a velocità prossime alla velocità della luce o velocità “relativistiche”.
Ma la scoperta non deve stupire più di tanto, gli elettroni relativistici sono ben noti nel cosmo, accelerati da “acceleratori di particelle” naturali. La cosa peculiare è un’altra, occasionalmente compaiono elettroni relativistici e ultra relativistici, ma solo durante alcune tempeste solari e non in altre.
Un team guidato dal fisico Hayley Allison del GFZ German Center for Geosciences in Germania ha appena capito il motivo. Gli elettroni relativistici sono collegati con cinture di radiazioni invisibili e piene di particelle presenti intorno alla Terra.
Il team ha scoperto che solo se il plasma è stato significativamente esaurito in una cintura di radiazioni prima delle tempeste solari, gli elettroni possono raggiungere velocità ultrarelativistiche.
Conosciute come cinture di Van Allen, queste cinture si trovano in una zona dello spazio che circonda la Terra. La cintura interna si estende da 640 a 9.600 chilometri di altitudine e la cintura esterna da circa 13.500 a 58.000 chilometri. Queste sono le regioni in cui il campo magnetico terrestre intrappola le particelle cariche del vento solare.
Sulla Terra, queste regioni non hanno effetto sulla nostre vita, ma la regione dello spazio immediatamente intorno al pianeta, ad un’altitudine di circa 2000 chilometri, è dove orbita la maggior parte dei satelliti. È qui che potrebbe essere fondamentale sapere che tipo di meteorologia spaziale possono produrre gli elettroni ultrarelativistici.
Accelerati a velocità relativistiche, gli elettroni diventano un pericolo. A causa delle loro alte energie, nemmeno la migliore schermatura può contenerli e quando penetrano all’interno dei veicoli spaziali la loro carica può danneggiare o compromettere irrimediabilmente l’elettronica sensibile.
Allison e il suo team hanno iniziato ad analizzare i dati delle sonde di Van Allen, navicelle spaziali gemelle lanciata per studiare le cinture di Van Allen nel 2012 e disattivate nel 2019.
Tempeste solari e Plasma
Durante questi sette anni, le sonde hanno registrato diverse tempeste solari, eventi in cui le particelle ad alta energia emesse dal Sole colpiscono la magnetosfera terrestre.
Stavano cercando di capire perché alcune di queste tempeste solari hanno prodotto elettroni ultrarelativistici e altre no e lo hanno fatto esaminando onde del plasma.
È noto che le onde del plasma – fluttuazioni nei campi elettrico e magnetico – accelerano gli elettroni. E le tempeste solari eccitano le onde di plasma intorno alla Terra; infatti, le sonde di Van Allen hanno contribuito alla scoperta che le cosiddette onde di plasma “chorus” possono accelerare gli elettroni, sebbene il solo effetto fosse ritenuto insufficiente per spiegare gli elettroni ultrarelativistici osservati. I ricercatori pensavano che fosse in corso un processo di accelerazione in due fasi.
Il team ha confrontato le osservazioni sul plasma effettuate dalle sonde di Van Allen con le tempeste solari, sia con che senza elettroni ultrarelativistici.
La densità del plasma è difficile da misurare direttamente, ma il team è stato in grado di dedurre la densità dalle fluttuazioni dei campi elettrici e magnetici. Il team ha scoperto che gli elettroni ultrarelativistici sono correlati sia con un estremo esaurimento della densità del plasma che con la presenza di onde di chorus.
È un risultato che mostra che un processo di accelerazione a due stadi, come precedentemente ritenuto responsabile, non è necessario per gli elettroni ultrarelativistici.
Il team, oltre ad aver studiato le velocità più estreme degli elettroni, ha scoperto che quando la densità del plasma è inferiore, le onde del “chosus” accelerano gli elettroni a velocità relativistiche su scale temporali più brevi rispetto a quando la densità del plasma è più alta.
“Questo studio mostra che gli elettroni nella cintura di radiazione della Terra possono essere prontamente accelerati localmente a energie ultrarelativistiche, se le condizioni dell’ambiente del plasma – onde di plasma e densità di plasma temporaneamente bassa – sono corrette”, ha spiegato il fisico Yuri Shprits del GFZ German Center for Geosciences e l’Università di Potsdam in Germania.
“Le particelle possono essere considerate come surfare sulle onde di plasma. Nelle regioni di densità di plasma estremamente bassa possono semplicemente prendere molta energia dalle onde di plasma. Meccanismi simili possono essere all’opera nelle magnetosfere dei pianeti esterni come Giove o Saturno e in altri oggetti astrofisici“.
