• Los científicos confirmaron por primera vez cómo se forman las auroras boreales en el cielo.
  • Las ondas electromagnéticas transfieren energía a los electrones, que luego viajan hacia la Tierra.
  • Los electrones finalmente chocan con los átomos y las moléculas en un espectáculo de luz brillante: la aurora.

Durante años, los científicos no habían podido confirmar cómo las auroras boreales proyectaban su brillo espectral en el cielo.

Pero habían mantenido una teoría durante mucho tiempo. Primero, las erupciones en el Sol liberan una corriente de partículas cargadas llamada viento solar. Esas partículas interactúan con la magnetosfera de la Tierra, la región alrededor del planeta controlada por su campo magnético. En el proceso, el campo lanza poderosas ondas electromagnéticas en la dirección de la superficie de la Tierra.

Luego, los electrones se montan en estas ondas y navegan hacia la atmósfera superior de la Tierra. Una vez allí, chocan con átomos y moléculas en el brillante espectáculo de luces conocido como auroras boreales.

Pero los científicos batallaron por probar esta teoría durante décadas. Las distancias del espacio involucrado son demasiado vastas para recrearlas dentro de un laboratorio, y la tecnología de las naves espaciales solo permite a los investigadores medir electrones y ondas electromagnéticas por separado a diferentes altitudes.

Tras décadas, los científicos lograron comprobar su teoría simulando las condiciones que crean a las auroras boreales

Sin embargo, recientemente los científicos lograron simular las condiciones que producen una aurora dentro de una cámara de vacío. En un nuevo estudio, informaron que la teoría predominante es de hecho correcta.

Las ondas electromagnéticas llamadas ondas de Alfvén transfieren energía a los electrones, dando a las partículas un empujón acelerado hacia la Tierra. Los electrones pueden navegar por las ondas, alcanzando finalmente velocidades de hasta 45 millones de millas por hora.

«La idea de que estas ondas pueden energizar los electrones que crean la aurora se remonta a más de cuatro décadas, pero esta es la primera vez que hemos podido confirmar definitivamente que funciona», Craig Kletzing, profesor de física en la Universidad de Iowa, coautor del estudio, dijo en un comunicado.

auroras boreales
Un modelo muestra cómo las auroras iluminan el cielo.
Austin Montelius / Universidad de Iowa

Una cámara de vacío gigante para simular el ‘surfing de electrones’

El físico ruso Lev Landau propuso por primera vez la idea de que los electrones ganan velocidad al surfear ondas electromagnéticas, un proceso ahora conocido como amortiguación de Landau, en 1946. Kletzing se propuso probar esa teoría hace aproximadamente dos décadas, pero antes de que eso pudiera suceder, los científicos tuvieron que recrear las condiciones de la magnetosfera de la Tierra.

Su solución fue el Gran Dispositivo de Plasma de la Universidad de California en Los Ángeles, una cámara de vacío de casi 20 metros de largo que produce suficiente plasma (el gas ionizado que constituye gran parte de nuestro universo) para soportar las ondas de Alfvén.

«Pensaron que debería llevar algunos años», dijo a Insider Gregory Howes, profesor asociado de la Universidad de Iowa. «Bueno, resultó que era un problema mucho más difícil de resolver en el laboratorio de lo que se anticipó inicialmente».

Después de lanzar las ondas Alfvén por la cámara, los investigadores tuvieron que localizar un pequeño grupo de electrones (menos de 1 en 1,000) que se movían aproximadamente a la misma velocidad que las ondas: una aguja en un pajar. Ese sería el indicador de que los electrones estaban ganando velocidad al montar las olas.

«Esto nunca se había probado directamente que realmente funcionara en un laboratorio», dijo Howes. «Así que poder mostrar en un plasma real que esta idea teórica realmente se hace realidad fue realmente el mayor desafío».

Finalmente, la simulación mostró, y los modelos matemáticos lo confirmaron, que este proceso de navegación de electrones da como resultado espectáculos de luces brillantes en la Tierra.

«Resuelve la pieza clave del rompecabezas que faltaba para comprender lo que se llaman arcos aurorales discretos», dijo Howes. «Esas son las relucientes cortinas de luz en las que piensas cuando piensas en la aurora».

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El gran dispositivo de plasma en la instalación de ciencia básica del plasma de UCLA. Instalación de Ciencias del Plasma Básico / UCLA

Las auroras no se forman hasta que los electrones están cerca de la Tierra

Sin embargo, los investigadores no llegaron a recrear el espectáculo resplandeciente de la aurora boreal. Esto se debe a que el fenómeno ocurre a una altitud mucho más baja que las olas de Alfvén y en un conjunto diferente de condiciones.

El campo magnético de la Tierra lanza ondas Alfvén a unas 80,000 millas sobre la superficie del planeta, dijo Howes. Los electrones en la magnetosfera luego comienzan a surfear las olas a una altitud de alrededor de 10,000 millas.

Pero las auroras no se forman hasta que los electrones están a unos 160 kilómetros de la Tierra, dijo. En ese punto, los electrones chocan contra las moléculas de oxígeno y nitrógeno, liberando fotones, partículas de luz. En ese proceso, los átomos de oxígeno emiten un tono rojo o verde, mientras que los átomos de nitrógeno emiten luz azul o violeta.

Los investigadores se conformaron con un espectáculo de luces mucho más tenue dentro del laboratorio.

«El plasma en sí brilla, es muy bonito», dijo Howes. «Pero el resplandor que piensas como estos electrones acelerados que golpean el plasma no es lo que vemos».

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