Le aurore boreali sono la rappresentazione certamente più spettacolare di quel mare di particelle cariche che circonda la Terra e che costituisce le cosiddette fasce di Van Allen. Si tratta per lo più di raggi cosmici e particelle provenienti dal vento solare, particelle altamente energetiche intrappolate, per effetto del campo magnetico terrestre, nell’ambiente spaziale prossimo alla Terra. In questo mare sospeso di particelle – una miscela di particelle caricate positivamente e negativamente a formare il cosiddetto plasma, per la precisione – la collocazione e concentrazione di elettroni è altamente variabile, sia in termini dinamici, sia nel contenuto, e anche per quel che riguarda la gamma energetica. Recenti osservazioni del Relativistic Electron Proton Telescope (Rept) a bordo delle sonde Van Allen Probes hanno mostrato che la dinamica degli elettroni ultrarelativistici può essere molto diversa da quelli a energie relativistiche intorno a 1 MeV. Mentre quest’ultimi mostrano frequenti intensificazioni del flusso durante le tempeste geomagnetiche, le promozioni a energie ultrarelativistiche sono relativamente poco frequenti – e vi sono ancora molti dubbi su come queste particelle possano essere accelerate.
I contorni a colori mostrano le intensità delle fasce di radiazione. Le linee grigie mostrano le traiettorie degli elettroni relativistici nelle cinture di radiazione. Le linee circolari concentriche mostrano la traiettoria dei satelliti scientifici che attraversano questa regione pericolosa nello spazio. Crediti: Ingo Michaelis e Yuri Shprits, GFZ.
Energie ultrarelativistiche corrispondono, per gli elettroni della fascia di Van Allen, a velocità molto prossime a quella della luce. In questo regime, le leggi della relatività diventano importanti: la massa delle particelle aumenta di un fattore dieci, il tempo rallenta e le distanze diminuiscono. A energie così estreme, le particelle cariche diventano pericolose anche per i satelliti schermati al meglio, poiché quasi nessuna schermatura può fermarle, e la loro carica può anzi distruggere l’elettronica di bordo.
Un nuovo studio pubblicato su Science Advances fornisce una prima spiegazione sul meccanismo – e soprattutto sulle condizioni fisiche – in grado di indurre queste accelerazioni estreme degli elettroni. Gli stessi autori avevano già dimostrato – in uno studio dello scorso anno – che durante le tempeste solari le onde di plasma giocano un ruolo cruciale in questo processo di accelerazione. Le onde di plasma possono essere pensate come fluttuazioni del campo elettrico e magnetico, eccitate dalle tempeste solari. Sono un’importante forza motrice per l’accelerazione degli elettroni, anche se questi improvvisi aumenti di energia non sono raggiunti in tutte le tempeste solari.
I dati decisivi sono arrivati dalla missione Van Allen Probes della Nasa, lanciata nel 2012, e in particolare da osservazioni sul lungo periodo effettuate nel corso del 2015. Durante la missione, sono state osservate sia tempeste solari che hanno prodotto elettroni ultrarelativistici sia tempeste senza questo effetto. Combinati con osservazioni simultanee delle onde di plasma, i dati hanno permesso di dedurre la densità numerica totale del plasma – un parametro molto difficile da misurare direttamente. Si è visto che la densità del plasma ha un ruolo decisivo in materia di accelerazione: gli elettroni sono stati osservati raggiungere energie ultrarelativistiche solo quando la densità del plasma scendeva a valori molto bassi – dell’ordine di una decina di particelle per centimetro cubo – mentre normalmente tale densità è da cinque a dieci volte superiore. Una densità così ridotta creerebbe dunque condizioni preferenziali per l’accelerazione diffusiva locale degli elettroni da centinaia di kiloelettronvolt fino a più di 7 MeV.
«Questo studio dimostra che gli elettroni nella fascia di radiazioni attorno alla Terra possono essere prontamente accelerati localmente a energie ultrarelativistiche, se le condizioni dell’ambiente di plasma – onde di plasma e densità di plasma temporaneamente bassa – sono giuste», spiega Yuri Shprits, secondo autore dello studio, direttore della sezione Space physics and space weather del Geoforschungszentrum (Gfz) e professore all’università di Potsdam. «Le particelle possono essere immaginate come se navigassero su onde di plasma. In regioni di densità di plasma estremamente bassa, esse possono 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».
Mentre i modelli precedenti non potevano riprodurre l’accelerazione locale di elettroni a energie così alte, in questo studio gli scienziati forniscono – a completamento delle osservazioni – un modello numerico in grado di riprodurre i dati: incorporando nelle simulazioni condizioni di estrema rarefazione del plasma freddo, si genera naturalmente un canale preferenziale per l’accelerazione degli elettroni fino a più di 7 MeV. Per analizzare i dati delle sonde Van Allen, i ricercatori hanno utilizzato metodi di apprendimento automatico – o machine learning -– che hanno permesso di dedurre la densità totale del plasma dalle fluttuazioni misurate del campo elettrico e magnetico.
«Così, per raggiungere energie così estreme, non è necessario un processo di accelerazione in due fasi – prima dalla regione esterna della magnetosfera nella cintura e poi all’interno –, come a lungo ipotizzato», conclude Hayley Allison, primo autore dello studio e ricercatore postdoc nello stesso istituto. «E questo va a sostegno anche dei risultati della nostra ricerca dello scorso anno».