Los iones se calientan en el plasma espacial

Nuevas simulaciones realizadas en parte en la supercomputadora ATERUI II en Japón han encontrado que la razón por la que los iones existen a temperaturas más altas que los electrones en el plasma espacial es porque son más capaces de absorber la energía de las fluctuaciones turbulentas compresivas en el plasma.

Estos resultados tienen importantes implicaciones para comprender las observaciones de varios objetos astronómicos, como las imágenes del disco de acreción y la sombra del agujero negro supermasivo en M87 capturadas por el Telescopio Horizonte de Sucesos.

Además de los tres estados normales de la materia (sólido, líquido y gas) que vemos a nuestro alrededor todos los días, hay un estado adicional llamado plasma que solo existe a altas temperaturas. Bajo estas condiciones, los electrones se separan de sus átomos anfitriones dejando atrás iones cargados positivamente. En el plasma espacial los electrones e iones raramente colisionan entre sí, lo que significa que pueden coexistir en diferentes condiciones, como a diferentes temperaturas. Sin embargo, no hay ninguna razón obvia por la que deban tener temperaturas diferentes, a menos que alguna fuerza los afecte de manera diferente. Así que el por qué los iones son usualmente más calientes que los electrones en el plasma espacial ha sido por mucho tiempo un misterio.

Impresión artística de iones y electrones en varios plasmas espaciales. (Foto: Yohei Kawazura)

Una forma de calentar el plasma es mediante turbulencia. Las fluctuaciones caóticas de la turbulencia se mezclan suavemente con las partículas, y entonces su energía se convierte en calor. Para determinar el papel de los diferentes tipos de fluctuaciones en el calentamiento del plasma, un equipo internacional dirigido por Yohei Kawazura en la Universidad de Tohoku en Japón realizó las primeras simulaciones del mundo de plasma espacial, incluyendo dos tipos de fluctuaciones, las oscilaciones transversales de las líneas de campo magnético y las oscilaciones longitudinales de presión. Estas simulaciones se llevaron a cabo en varias supercomputadoras, incluyendo ATERUI II en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón.

Los resultados mostraron que a las fluctuaciones longitudinales les gusta mezclarse con iones pero dejan a los electrones. Por otro lado, las fluctuaciones transversales pueden mezclarse tanto con iones como con electrones. "Sorprendentemente, las fluctuaciones longitudinales son exigentes en cuanto a la especie compañera con la que mezclarse", dice Kawazura. Este es un resultado clave para entender las relaciones de calentamiento entre iones y electrones en los plasmas observados en el espacio, como el del agujero negro supermasivo de la Galaxia M87. (Fuente: NCYT Amazings)