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Un acceleratore di particelle nelle fasce di Van Allen

Uno dei problemi più affascinanti dell’astrofisica è l’esistenza di ambienti con particelle ad altissima energia. L’esempio più vistoso è costituito dai raggi cosmici extragalattici che raggiungono energie fino a 1020 eV. Più vicino a noi, le fasce di radiazione di Van Allen, ossia le regioni toroidali di plasma che circondano la Terra, formate da particelle cariche provenienti principalmente dal vento solare e catturate dal campo magnetico terrestre, possono contenere elettroni e protoni con energie di qualche MeV. Utilizzando la coppia di sonde gemelle Van Allen lanciate nell’Agosto 2012, i ricercatori della NASA hanno dimostrato che elettroni con energie ≥ 2.5 MeV sono accelerati direttamente nella magnetosfera terrestre. Ma qual è il meccanismo di accelerazione locale?

Schema delle fasce di Van Allen. Credits: wikimedia

La sonda STEREO aveva scoperto nelle fasce di radiazione l’esistenza di onde “whistler” di grande ampiezza, ossia particolari modi elettromagnetici che si propagano in un plasma magnetizzato e che possono interagire in modo risonante con particelle veloci. Questa scoperta aveva suggerito che gli elettroni potrebbero “navigare” su queste onde, come i surfisti sulle onde dell’oceano, fino ad accelerare ad energie dell’ordine del MeV Tuttavia, per essere efficace il meccanismo richiede la presenza di una popolazione di elettroni con energie di qualche centinaio di keV.

Sul numero di Physical Review Letters di Dicembre 2013, F. Mozer e colleghi della University of California, Berkeley riportano le prime osservazioni nei plasmi delle fasce di Van Allen di flussi di migliaia di cosiddetti “double layers”, correlati a forti aumenti di flussi di elettroni relativistici. Un doppio strato è una perturbazione in un plasma non collisionale, che viaggia nella direzione del campo magnetico esterno ed è costituita da due strati di carica. Come in un condensatore piano, il campo elettrico tra gli strati carichi dà luogo ad una differenza di potenziale. I flussi di “double layers” possono dunque rappresentare il meccanismo di accelerazione degli elettroni ad energie di qualche centinaio di keV. Rimangono aperte altre domande, come ad esempio quali condizioni ed instabilità nel plasma delle fasce di Van Allen permettano la formazione di grandi differenze di potenziale e di successioni di “double layers”.

Una comprensione dettagliata dei meccanismi di accelerazione nella magnetosfera terrestre può essere di interesse anche per sistemi astrofisici diversi, come altre magnetosfere planetarie, la corona solare, ed oggetti molto più lontani come “supernova remnants”. Questi risultati, uniti ad altre osservazioni quali i terrestrial gamma-ray flashes negli strati superiori dell’atmosfera o i fenomeni di accelerazione di particelle cariche per riconnessione magnetica alla magnetopausa, indicano come i plasmi (geo-)spaziali possano essere considerati come un vero e proprio laboratorio per l’astrofisica delle alte energie.

 

Massimiliano Romé

13 dicembre 2013
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