Las auroras boreales están de moda, es una realidad nada más comenzar 2025. Aunque nunca pasaron de moda: ha sido objeto de atención desde los antiguos mitos que las consideraban mensajes divinos hasta las investigaciones modernas que intentan descifrar sus secretos. Estos espectáculos celestiales, con sus luces danzantes en tonos verdes, rojos y violetas, son más que un fenómeno visual: son una manifestación de procesos físicos complejos que ocurren en la alta atmósfera de la Tierra. Pero, ¿cómo se generan exactamente? Un reciente experimento, KiNET-X, liderado por científicos de la Universidad de Alaska Fairbanks y llevado a cabo en colaboración con la NASA, ha dado un paso clave para responder esta pregunta.
A través del lanzamiento de cohetes de sondeo desde la instalación de vuelos de Wallops en Virginia, el equipo replicó las condiciones que producen auroras en la ionosfera terrestre. Aunque el experimento no generó auroras visibles, proporcionó datos cruciales sobre cómo los electrones son acelerados y cómo interactúan con el plasma magnetizado. Como dijo Peter Delamere, investigador principal: “Las auroras son extremadamente complicadas. Este experimento fue un éxito que nos permitirá comprender más sobre estos fenómenos”.
El experimento KiNET-X: una mirada al corazón de la ionosfera
El experimento KiNET-X, cuyo nombre significa “Transporte de energía y momento a escala cinética”, utilizó uno de los mayores cohetes de sondeo de la NASA, el Black Brant XII, para liberar dos nubes de bario en la ionosfera terrestre. Estas nubes fueron detonadas a diferentes alturas: una a 400 kilómetros y otra a 350 kilómetros, sobre el Océano Atlántico, cerca de las Bermudas. La elección del bario no fue casual: al ionizarse bajo la luz solar, este elemento actúa como un marcador visible que permite estudiar el comportamiento del plasma.
Lo que hace único a KiNET-X es su capacidad para simular, aunque a una escala pequeña, los procesos que convierten la baja energía del viento solar en las rápidas partículas responsables de las auroras. Según el equipo, “las nubes de plasma interactuaron con el ambiente magnetizado, generando ondas de Alfvén y acelerando electrones”. Estas ondas, nombradas en honor al físico sueco Hannes Alfvén, son fundamentales en la transferencia de energía en plasmas magnetizados como los de la ionosfera y el viento solar.
Es interesante el hecho de que el experimento empleó instrumentos de última generación para medir campos eléctricos y magnéticos, así como la temperatura de los electrones. Esto permitió observar cómo el plasma alterado interactuaba con el ambiente, confirmando que las nubes de bario transfirieron energía al plasma circundante por un breve periodo. Aunque no se generaron auroras visibles, la física detrás de estos procesos fue confirmada experimentalmente.
Ondas de Alfvén y la aceleración de electrones
Uno de los resultados más destacados de KiNET-X ha sido la creación de ondas de Alfvén, un tipo de onda que se propaga a lo largo de las líneas del campo magnético en un plasma. Estas ondas son esenciales para entender cómo se transfiere energía en entornos como la magnetosfera terrestre, el viento solar e incluso las atmósferas de planetas gigantes.
En el caso del experimento, las ondas de Alfvén surgieron cuando las nubes de plasma interactuaron con el plasma ambiental, creando perturbaciones magnéticas. Estas perturbaciones generaron campos eléctricos paralelos a las líneas del campo magnético, un factor crucial para la aceleración de electrones. Según el equipo de Delamere, los electrones ganaron una energía de aproximadamente 200 eV, suficiente para trazar paralelismos con los procesos que generan las auroras boreales naturales.
El concepto de las ondas de Alfvén no es nuevo, pero esta es una de las primeras veces que se recrea su dinámica de forma controlada en un entorno experimental. Esto proporciona a los científicos una “pieza dorada del rompecabezas” para entender cómo los electrones alcanzan las energías necesarias para iluminar el cielo.
¿Quién es Hannes Alfvén?
Hannes Alfvén fue un físico sueco cuya contribución a la ciencia transformó nuestra comprensión del cosmos. Nacido en 1908, es reconocido como el fundador de la magnetohidrodinámica (MHD), un campo que estudia cómo los fluidos conductores, como el plasma, interactúan con los campos magnéticos. Por esta razón, es una figura central en disciplinas que abarcan desde la astrofísica hasta la física espacial. Su trabajo fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1970, con el fin de destacar sus investigaciones sobre los procesos que gobiernan el comportamiento del plasma en el universo.
Uno de sus mayores legados fue la identificación y descripción de las ondas de Alfvén, un tipo de onda que viaja a través de plasmas magnetizados, como el viento solar y la magnetosfera terrestre. Estas ondas son fundamentales para entender fenómenos como las auroras boreales, las tormentas solares e incluso los procesos que ocurren en las atmósferas de planetas gigantes como Júpiter. La capacidad de Alfvén para conectar fenómenos observables en la Tierra con procesos que ocurren a escala cósmica revolucionó la física del plasma y dejó un impacto perdurable en la ciencia.
Además de su labor investigadora, Alfvén también fue un crítico abierto del uso irresponsable de la ciencia y la tecnología, especialmente en contextos bélicos y medioambientales.
Implicaciones para la física de las auroras boreales
Aunque KiNET-X no logró producir una aurora visible, sí replicó las condiciones físicas que las generan, lo cual tiene enormes implicaciones para la física del plasma y el entendimiento de fenómenos espaciales. Este experimento ofrece evidencia directa de que las ondas de Alfvén juegan un papel central en la aceleración de electrones hacia la ionosfera terrestre.
Por otra parte, los datos obtenidos pueden ser utilizados para reinterpretar experimentos previos, como los realizados durante la misión CRRES en los años 90. En aquel entonces, se observaron nubes de bario “resbalando” sobre el plasma ionosférico, un fenómeno que ahora se entiende mejor gracias a KiNET-X. Estas observaciones también serán útiles para futuras misiones, como aquellas dirigidas a estudiar la interacción entre el viento solar y la atmósfera de Marte o las lunas heladas de Júpiter.
El experimento también destacó la importancia de las simulaciones numéricas y los avances en instrumentación. Gracias a estas herramientas, fue posible rastrear fenómenos que ocurren en fracciones de segundo y que son invisibles a simple vista, como los pequeños haces de electrones acelerados detectados en los datos.
Futuro de la investigación en la ionosfera
El éxito de KiNET-X abre nuevas posibilidades para explorar cómo la energía y el momentum se transfieren en sistemas de plasma magnetizado. Esto no solo tiene aplicaciones en la Tierra, sino también en la exploración espacial. Entender cómo se generan las auroras en otros planetas puede revelar detalles sobre sus campos magnéticos y la interacción con su entorno espacial.
El experimento también subraya la importancia de los cohetes de sondeo como herramienta de investigación. Estos cohetes permiten realizar mediciones in situ en la alta atmósfera, un entorno difícil de alcanzar incluso para los satélites. Según los investigadores, futuros experimentos podrían centrarse en inyecciones más rápidas o mayores cantidades de plasma para observar cómo se amplifican los efectos detectados en KiNET-X.
Como afirmó Delamere, “es cuestión de armar todo el rompecabezas usando los datos disponibles y simulaciones avanzadas”. El camino hacia una comprensión completa de las auroras sigue abierto, pero cada experimento como KiNET-X nos acerca un paso más hacia esa meta.
Referencias
- P. A. Delamere, K. Lynch, M. Lessard, et al. Alfvén wave generation and electron energization in the KiNET-X sounding rocket mission. Physics of Plasmas, vol. 31, no. 11, 2024, doi: 10.1063/5.0228435.
Cortesía de Muy Interesante
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