Durante muchos años, los científicos han intentado comprender los rayos cósmicos, pequeñas partículas que se mueven a gran velocidad y atraviesan el espacio bombardeando la Tierra sin cesar.

Estas partículas de alta energía están relacionadas con poderosos fenómenos cósmicos, como la explosión de estrellas y los entornos que rodean a los agujeros negros. Además, también desempeñan un papel en la química atmosférica, pueden interferir en los sistemas electrónicos y suponen un reto para los astronautas y las naves espaciales.

Sin embargo, el estudio de los rayos cósmicos ha sido difícil, sobre todo porque aún no está claro cómo estas partículas alcanzan sus altas energías. Un experimento reciente llevado a cabo por investigadores de la University of Science and Technology of China (USTC) intenta resolver este misterio.

A través de su experimento, los investigadores observaron directamente cómo los iones (partículas cargadas) ganan energía al reflejarse en ondas de choque magnetizadas. Esta observación, la primera de su tipo, revela un proceso clave que posiblemente impulsa la aceleración de los rayos cósmicos a través del universo.

Experimentos de choque sin colisión magnetizados impulsados por láser. Crédito de imagen: Hui-bo Tang et al.

Deriva de choque frente a surf de choque

Para explicar el mecanismo que proporciona a los rayos cósmicos sus altas energías, los científicos se basan actualmente en dos teorías.

La primera teoría es la aceleración por deriva de choque (SDA), que sugiere que las partículas ganan energía deslizándose a lo largo de los campos magnéticos en el borde de una onda de choque, como un surfista que se desliza por el costado de una ola.

A medida que las partículas se mueven a través de los campos eléctricos y magnéticos de la onda de choque, aumentan su velocidad.

La segunda teoría, llamada aceleración por surf de choque (SSA), dice que las partículas quedan atrapadas justo en la parte delantera de la onda de choque, como un surfista cabalgando sobre la cresta. El campo eléctrico de la onda de choque las empuja hacia adelante, dándoles un repentino estallido de energía.

Sin embargo, nadie sabe cuál de las dos teorías es válida. Por lo tanto, para abordar esta confusión, el equipo de la USTC adoptó un enfoque novedoso.

Desempolvaron un potente láser

Utilizando su potente instalación láser Shenguang-II, crearon un entorno en miniatura en un laboratorio que imitaba las condiciones que se encuentran en el espacio y observaron potentes ondas de choque. Esto es lo que descubrieron:

Observando los rayos cósmicos en un laboratorio

Su método consistió en generar un plasma magnetizado, un estado de la materia en el que el gas se carga, similar al que existe en el espacio. A continuación, impulsaron otro plasma hacia este plasma magnetizado a velocidades superiores a 400 kilómetros por segundo.

Una de las instalaciones basadas en aceleradores del IHEP en China. Crédito de imagen: IHEP

Esta colisión creó ondas de choque, similares a los potentes frentes de choque generados por las estrellas en explosión (supernovas) en el universo. A continuación, los investigadores emplearon herramientas de diagnóstico avanzadas que les permitieron observar el comportamiento de los iones durante esta interacción.

Lo que observaron fue un flujo de iones acelerados a velocidades extraordinarias, que oscilaban entre 1100 y 1800 kilómetros por segundo. Esto era significativamente más rápido que la onda de choque inicial, lo que indicaba claramente que los iones estaban ganando energía al reflejarse en el frente de choque.

Además, mediante simulaciones, el equipo confirmó que esta ganancia de energía se debía principalmente a los campos eléctricos y magnéticos asociados a la onda de choque, una clara señal de la aceleración por deriva de choque (SDA).

Los autores del estudio señalan:

“Nuestras simulaciones reprodujeron la ganancia de energía y mostraron que los iones se aceleraban principalmente por el campo eléctrico de movimiento durante la reflexión. Los resultados identifican la aceleración por deriva de choque como el mecanismo dominante de energización de los iones, lo que concuerda con las observaciones de satélites en el choque de proa de la Tierra”.

Este experimento no solo resuelve un debate de larga data en astrofísica, sino que también proporciona una plataforma interesante para estudiar la dinámica de partículas de alta energía en un entorno controlado.

Es de esperar que futuros estudios se basen en estos conocimientos y descubran otros misterios relacionados con la física de partículas y la cosmología.

Los hallazgos de la investigación titulada “Laboratory observation of ion drift acceleration via reflection off laser-produced magnetized collisionless shocks” han sido publicados en la revista Science Advances.

[FT: phys.org]

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Por: CodigoOculto.com