Un impulso magnetoacustico ascoltato live dalle sonde Van Allen

Ad ottobre 2013, un'esplosione sulla superficie del Sole ha inviato nello spazio un flusso supersonico di vento solare che ha investito Mercurio, Venere, la Luna ed infine la Terra. L'onda d'urto ha colpito con forza il campo magnetico terrestre innescando un impulso magnetoacustico attorno al pianeta che non è sfuggito alle sonde della NASA Van Allen.

L'evento è scaturito da un brillamento solare, ossia un'eruzione violenta di materia dalla superficie della nostra stella, i cui effetti si sono rapidamente propagati per l'intero Sistema Solare.

Dal mese di agosto 2012, le due sonde gemelle Radiation Belt Storm ( RBSP), Probe A e Probe B, successivamente rinominate Van Allen, sono in orbita nelle omonime fasce, le due ciambelle cariche di plasma che circondano la Terra. Il loro scopo è caratterizzare questo ambiente estremo e studiare l'origine degli elettroni ultrarelativistici al suo interno. Queste particelle ad alta energia viaggiano a 1.000 chilometri al secondo e fanno il giro del pianeta in soli cinque minuti; possono colpire i satelliti ed i veicoli spaziali in orbita come veri e propri proiettili, causando danni irreparabili all'elettronica di bordo.

Per studiare questi processi, le due sonde percorrono, una dopo l'altra, la stessa orbita intorno alla Terra.

L' 8 ottobre 2013 alle 20:21:35 UT, la sonda Probe A stava passando proprio di fronte al Sole quando registrò un improvviso aumento del campo elettrico; appena cinque minuti prima, il flusso aveva investito le due sonde THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) della missione ARTEMIS (Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon's Interaction with the Sun) in orbita attorno alla Luna; un'ora più tardi, Probe B passava nella stessa posizione in cui Probe A aveva rilevato l'evento, registrando anch'essa il segnale.

Fenomeni di questo tipo non sono certo una rarità e quello in questione non è stato neppure uno dei più potenti conosciuti ma gli scienziati del MIT, presso il Haystack Observatory dell'Università del Colorado, hanno potuto analizzare i dati di prima mano forniti dalle sonde Van Allen.

L'impulso magnetosonico risultante, della durata di soli 60 secondi, aveva scosso le fasce, accelerando alcune particelle ad altissima energia.
"Il numero di queste particelle accelerate è salito di dieci volte in nemmeno un minuto, e noi abbiamo avuto la possibilità di osservare l'intero processo proprio mentre era in atto. È stato emozionante", ha detto John Foster, direttore associato del Haystack Observatory.

I risultati rappresentano la prima volta in cui gli effetti di un'onda d'urto solare sulle fasce di Van Allen sono stati osservati in dettaglio, dall'inizio alla fine. Foster e colleghi hanno pubblicato i loro risultati sul Journal of Geophysical Research.

Shock-Induced Prompt Relativistic Electron Acceleration In the Inner Magnetosphere [abstract]

We present twin Van Allen Probes spacecraft observations of the effects of a solar wind shock impacting the magnetosphere on 8 October 2013. The event provides details both of the accelerating electric fields associated with the shock and the response of inner magnetosphere electron populations across a broad range of energies. During this period the two Van Allen Probes observed shock effects from the vantage point of the dayside magnetosphere at radial positions of L=3 and L=5, at the location where shock-induced acceleration of relativistic electrons occurs. The extended (~1 min) duration of the accelerating electric field across a broad extent of the dayside magnetosphere, coupled with energy dependent relativistic electron gradient drift velocities, selects a preferred range of energies (3 - 4 MeV) for the initial enhancement. Those electrons--whose drift velocity closely matches the azimuthal phase velocity of the shock-induced pulse-- stayed in the accelerating wave as it propagated tailward and received the largest increase in energy. Drift resonance with subsequent strong ULF waves further accentuated this range of electron energies. Phase space density and positional considerations permit identification of the source population of the energized electrons. Observations detail the promptness (<20 min), energy range (1.5-4.5 MeV), energy increase (~500 keV), and spatial extent (L*~3.5-4.0) of the enhancement of the relativistic electrons. Prompt acceleration by impulsive shock-induced electric fields and subsequent ULF wave processes therefore comprises a significant mechanism for the acceleration of highly relativistic electrons deep inside the outer radiation belt as shown clearly by this event.

Il team ha messo in sequenza gli eventi: l'onda d'urto solare ha colpito la barriera protettiva del campo magnetico terrestre come "il colpo di una mazza", ha detto Foster ma, invece di sfondarla, è rimbalzata sotto forma di potente impulso magnetosonico, che si è propagato dal lato opposto della Terra in pochi minuti. Un lasso di tempo durante il quale il campo elettrico presente nell'impulso magnetoacustico ha accelerato alcune delle particelle a bassa energia incontrate lungo la strada fino a 3 o 4 milioni di elettronvolt, aumentando di un fattore 10 il numero di elettroni ultrarelativistici presenti in quella zona.

Guardando i dati più da vicino, i ricercatori hanno potuto stabilire come alcune particelle vengono accelerate.
Fondamentali sono i meccanismi di risonanza già osservati: quando le particelle che orbitano intorno alla Terra viaggiano ad una velocità uguale a quella dell'impulso magnetoacustico, hanno più probabilità di essere accelerate e più lunga è l'interazione tra i due, più la particella viene accelerata diventando estremamente energetica.

"Questo è stato uno shock relativamente piccolo ma sappiamo che può essere molto, molto più grande", ha detto Foster. "Le interazioni tra l'attività solare e la magnetosfera della Terra sono in grado di creare un certo numero di situazioni nelle fasce di Van Allen, alcune delle quali possono durare mesi, altre giorni mentre il processo d'urto dura solo pochi secondi o minuti".

Riferimenti: -
http://phys.org/news/2015-02-spacecraft-solar-shockwave.html

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