Un nuovo studio svela il meccanismo con cui le onde d’urto senza collisioni accelerano gli elettroni a velocità estreme
Un team internazionale di scienziati ha compiuto un significativo passo avanti nella comprensione di come le onde d’urto senza collisioni, presenti in tutto l’Universo, accelerino le particelle a velocità estreme. Queste onde d’urto, tra i più potenti acceleratori naturali di particelle, sono fondamentali nella produzione dei raggi cosmici, particelle ad alta energia che attraversano distanze immense nello spazio.
Lo studio sui meccanismi di accelerazione delle particelle cosmiche
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, combina osservazioni satellitari delle missioni MMS (Magnetospheric Multiscale) e THEMIS/ARTEMIS della NASA con recenti avanzamenti teorici, proponendo un nuovo modello che spiega l’accelerazione degli elettroni in ambienti caratterizzati da onde d’urto senza collisioni.
Il principale meccanismo noto per l’accelerazione degli elettroni a energie relativistiche è la cosiddetta accelerazione di Fermi o accelerazione diffusa da shock (DSA). Tuttavia, affinché questo processo sia efficace, gli elettroni devono prima raggiungere una soglia energetica specifica, un enigma noto come “problema dell’iniezione”. Questo studio fornisce nuove intuizioni, mostrando che gli elettroni possono essere accelerati a energie elevate attraverso l’interazione di vari processi su diverse scale.
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Utilizzando dati in tempo reale dalla missione MMS, che misura l’interazione della magnetosfera terrestre con il vento solare, e dalla missione THEMIS/ARTEMIS, che studia l’ambiente plasma a monte vicino alla Luna, il team ha osservato un fenomeno transitorio su larga scala a monte dell’onda d’urto terrestre il 17 dicembre 2017. Durante questo evento, gli elettroni nella regione di pre-shock terrestre hanno raggiunto livelli energetici senza precedenti, superando i 500 keV, rispetto ai tipici ~1 keV.
Le ipotesi dei ricercatori
I ricercatori suggeriscono che questi elettroni ad alta energia siano stati generati dall’interazione complessa di meccanismi di accelerazione multipli, inclusa l’interazione con varie onde di plasma, strutture transitorie nel pre-shock e l’onda d’urto terrestre. Questi meccanismi agiscono insieme per accelerare gli elettroni da basse energie (~1 keV) a energie relativistiche, raggiungendo i 500 keV osservati, risultando in un processo di accelerazione particolarmente efficiente.
Affinando il modello di accelerazione da shock, questo studio offre nuove prospettive sul funzionamento dei plasmi spaziali e sui processi fondamentali che governano il trasferimento di energia nell’universo. La ricerca apre quindi ulteriori strade per comprendere la generazione dei raggi cosmici e suggerisce come i fenomeni all’interno del nostro Sistema Solare possano guidarci nella comprensione dei processi astrofisici in tutto l’Universo.
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Il dott. Savvas Raptis, autore principale dello studio, sottolinea l’importanza di analizzare fenomeni su diverse scale per comprendere la natura: “La maggior parte delle nostre ricerche si concentra su effetti di piccola scala, come le interazioni onda-particella, o su proprietà di larga scala, come l’influenza del vento solare. Tuttavia, come abbiamo dimostrato in questo lavoro, combinando fenomeni su diverse scale, siamo riusciti a osservare la loro interazione che, in ultima analisi, energizza le particelle nello spazio.”
Il dott. Ahmad Lalti aggiunge: “Uno dei modi più efficaci per approfondire la nostra comprensione dell’Universo in cui viviamo è utilizzare il nostro ambiente plasma vicino alla Terra come laboratorio naturale. In questo lavoro, ci basiamo su osservazioni in situ dalla missione MMS e THEMIS/ARTEMIS per studiare l’accelerazione degli elettroni in onde d’urto senza collisioni, fornendo nuove intuizioni sui processi di accelerazione delle particelle che avvengono in tutto l’Universo.”
[Cover Image realizzata con AI]
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