La Tierra y el sistema solar tienen más de 4.500 millones de años, sin embargo, son relativamente jóvenes en comparación con el universo. El descubrimiento de la era del cosmos y sus orígenes notables en el llamado Big Bang comenzó con las medidas telescópicas del astrónomo estadounidense Edwin Hubble. Para entender el origen de la Tierra, primero debemos entender de dónde proviene toda la materia, todos los átomos, que forman la Tierra y esa es una historia que comienza con el Big Bang. Siguiendo el Big Bang, el momento de la creación, el universo se transformó una y otra vez a medida que se expandía.

Los Descubrimientos del Hubble

Las preguntas centrales de la cosmología son cómo surgió el universo y cuál será su destino. Antes de 1920, la cuestión del origen del universo estaba fuera del ámbito de la ciencia, porque ninguna medida reproducible contestaba la pregunta. Edwin Hubble utilizó el nuevo telescopio Mount Wilson de 100 pulgadas para obtener imágenes de estrellas individuales en galaxias lejanas por primera vez.

Las mediciones del Hubble encontraron que el universo está compuesto por galaxias distantes que en realidad son enormes colecciones de estrellas, al igual que la Vía Láctea, que ahora se cree que tiene cientos de miles de millones de estrellas.

Los estudios del Hubble llevaron a la primera evidencia clara de observación de la edad y el origen del universo. El Hubble y otros astrónomos midieron las velocidades relativas de las galaxias por lo que se conoce como sus desplazamientos al rojo.

El desplazamiento hacia el rojo es un cambio aparente en las longitudes de onda de la luz que proviene de un objeto distante, como una estrella o galaxia. Si el objeto se mueve hacia usted, entonces las ondas se juntan más, y hay un cambio de la longitud de onda aparente a la parte azul del espectro de mayor frecuencia, llamada cambio azul. Si el objeto se aleja de usted, entonces las ondas se dispersan y hay un cambio de la longitud de onda aparente a la parte roja del espectro de baja frecuencia, llamada desplazamiento hacia el rojo.

Hubble descubrió que galaxias más distantes se están alejando de nosotros más rápidamente. El Hubble midió los desplazamientos rojos de aproximadamente 20 galaxias y se dio cuenta de que existe una relación simple entre la distancia y la velocidad. Pero este resultado lleva a una conclusión sorprendente: El universo se está expandiendo. Y, si reproduce la cinta cósmica hacia atrás, todo converge a un punto tanto en el espacio como en el tiempo.

El gran descubrimiento del universo en expansión del Hubble tiene implicaciones sorprendentes con respecto al origen del universo. De hecho, ahora parece que el universo comenzó en un instante de tiempo hace aproximadamente 14 mil millones de años, y se ha ido expandiendo desde entonces. Esta teoría, que el universo llegó a existir en un momento en el tiempo y posteriormente ha experimentado una rápida expansión, la cual se denomina Big Bang.

La Gran Explosión o Big Bang: Tres Líneas de Evidencia

Tres líneas de evidencia observacional apoyan la teoría del Big Bang: La expansión universal; el descubrimiento de un fondo omnipresente de radiación de microondas en el cosmos; y las proporciones de los elementos ligeros hidrógeno, helio y litio.

Lo primero y más importante fue el descubrimiento del Hubble en la década de 1920 del universo en expansión, que ahora ha sido amplificado por miles de observaciones. Una y otra vez, los astrónomos han confirmado que todas, excepto las galaxias más cercanas, se están alejando de nosotros y que cuanto más lejos está la galaxia, más rápido está retrocediendo.

Una segunda prueba convincente de la gran explosión, descubierta por accidente en la década de 1960, es un trasfondo generalizado de microondas que parece inundar todos los rincones del universo. Esta «radiación de fondo de microondas cósmica» fue descubierta por dos investigadores en el Laboratorio Bell de la American Telephone and Telegraph Company en New Jersey. Arno Penzias y Robert Wilson estaban estudiando las comunicaciones por microondas, y habían desarrollado una nueva antena de microondas de alta sensibilidad y forma de cono que estaban probando. Pero experimentaron un alto nivel de ruido, o estática, e intentaron todo para eliminar el ruido, pero nada funcionó.

Al mismo tiempo, Phillip James Peebles, un astrofísico teórico que trabajaba a poca distancia en Princeton, había estado pensando en las consecuencias del Big Bang, y se dio cuenta de que lo que Penzias y Wilson habían descubierto era exactamente lo que los astrofísicos te habían predicho: La estática de microondas era en realidad radiación electromagnética primordial que quedaba del Big Bang.

En el instante del Big Bang, el universo se inundó con toda la materia y la energía que jamás existirá. Cantidades inimaginables de energía se convirtieron en radiación electromagnética altamente energética con longitudes de onda inimaginablemente cortas (Que se traducen en altas energías). Luego, a medida que el universo se expandía después del Big Bang, y cuando el universo comenzaba a enfriarse, las longitudes de onda de esa radiación electromagnética se extendían a una energía cada vez más baja junto con la expansión.

La radiación de fondo de microondas que vemos hoy representa los remanentes de esa radiación intensa inicial, que se ha extendido a las longitudes de onda de las microondas, que son longitudes de onda del orden de un pie de largo.

La tercera línea de evidencia para el Big Bang se basa en las proporciones de los elementos más ligeros, hidrógeno, helio y litio, respectivamente, que medimos hoy. Estos tres elementos de la tabla periódica se condensaron directamente del Big Bang. Mientras que la mayor parte de esta materia estaba en forma de átomos de hidrógeno, aproximadamente una décima parte era helio más una cantidad muy pequeña de litio.

Las mediciones de las cantidades relativas de estos elementos ligeros proporcionan una fuerte evidencia del Big Bang. Especialmente importante a este respecto es la proporción de dos variantes del átomo de hidrógeno: el hidrógeno normal y la versión más pesada, un isótopo llamado deuterio. Las proporciones observadas de elementos de luz en el universo coinciden estrechamente con las predicciones del origen del Big Bang, en oposición a la teoría del estado estacionario.

A pesar de su nombre, el Big Bang no fue una explosión en la que la materia se expandió a un espacio existente. La existencia misma se expandió, y no en nada, no había interior ni exterior. En cambio, era lo que los físicos llaman una singularidad: Una transformación de la nada a algo. No conocemos ninguna forma de realizar ninguna medición que proporcione información sobre lo que ocurrió antes del Big Bang.

Siete Congelaciones Cósmicas

Los científicos que estudian el Big Bang ven el universo hoy como un lugar donde no solo diferentes partículas de materia, sino también todas las fuerzas como la gravedad, se han congelado de un tiempo anterior, uniforme y perfectamente simétrico, un tiempo hace 13.7 mil millones de años cuando todas las partículas y todas las fuerzas eran indistinguibles.

Piense hacia atrás en el tiempo, hasta ese instante de creación, cuando toda la materia y la energía del universo aparecieran en un “punto”. A medida que ese universo caliente y comprimido se enfriaba, tuvo lugar una serie dramática de siete “congelaciones” cósmicas. Piense en la congelación como una transición de fase que ocurre cuando un objeto muy caliente se enfría.

Los tres congelamientos más tempranos ocurrieron en una fracción del primer segundo, cuando las cuatro fuerzas conocidas en la naturaleza se separaron de su estado inicialmente homogéneo. De acuerdo con los cálculos teóricos, el primero de estos congelamientos ocurrió cuando el universo tenía solo 10^–43 segundos de antigüedad, es decir, una millonésima parte de la billonésima parte de la billonésima de segundo.

En ese momento de la historia temprana del universo, la gravedad se separó para siempre de las otras fuerzas, y la expansión universal se opuso por primera vez a la gravedad. Antes de ese tiempo se le conoce como el período inflacionario, un momento en que el universo se expandió más rápido.

No se conoce ninguna forma de reproducir la increíble energía concentrada de ese evento cósmico más antiguo, ni de la segunda congelación, que ocurrió a los 10^–35 segundos, cuando se congeló lo que se llama fuerza fuerte. La fuerza fuerte mantiene a las partículas nucleares como el protón y el neutrón juntas, por lo que este fue un paso importante en la “creación” de los átomos.

A los 10^-10 segundos, cuando el universo tenía una antigüedad de diez mil millones de segundos, las dos fuerzas restantes se separaron. Uno de ellos, la fuerza débil, se manifiesta hoy en la radioactividad: Es la fuerza que hace que las partículas peligrosas se alejen de un átomo radiactivo.

La otra fuerza, la llamada fuerza electromagnética, se manifiesta en fenómenos cotidianos como la estática y los imanes del refrigerador. La fuerza electromagnética mantiene unidos a los átomos y es en última instancia responsable de toda la materia que conforma nuestro planeta.

Las sugerencias de este tercer congelamiento cósmico se pueden extraer de los experimentos en los aceleradores de partículas más grandes del mundo, que pueden reproducir las energías asociadas con la fuerza electrodébil unificada.

Las congelaciones posteriores llevaron a todo lo que vemos hoy. Antes de 10^–5 segundos, que son diez millonésimas de segundo, toda la materia existía como electrones y otras partículas aisladas llamadas quarks y leptones.

A los 10^–5 segundos, los quarks se combinaron para formar todo tipo de partículas adicionales, incluidos protones y neutrones. Los protones son partículas atómicas masivas y cargadas positivamente, mientras que los neutrones son similares a los protones en masa, pero no tienen carga eléctrica. Ambas partículas desempeñan un papel importante en el núcleo atómico, y cada una está formada por una combinación de tres quarks.

Entonces, cuando el universo tenía todavía menos de un segundo de antigüedad, las cuatro fuerzas se habían congelado, al igual que los bloques de construcción básicos de los átomos: Electrones, protones y neutrones. Los primeros núcleos atómicos de protones y neutrones tardaron unos tres minutos más en fusionarse y formar deuterio, un núcleo atómico que contiene un protón y un neutrón.

Estos núcleos de hidrógeno y deuterio estaban rodeados por un mar de electrones calientes y veloces, formando un inmenso plasma, que es el estado de la materia que forma las estrellas. El plasma es extremadamente caliente y es como un gas, pero los átomos se dividen en núcleos positivos y electrones negativos.

Las cosas seguían siendo extraordinariamente calientes en ese universo primitivo, y permanecieron así durante aproximadamente medio millón de años. Gradualmente, a medida que el universo continuaba expandiéndose, el cosmos se enfriaba a unos pocos miles de grados, y eso era lo suficientemente frío para que los electrones se engancharan a los núcleos y formaran los primeros átomos.

La abrumadora mayoría de esos primeros átomos fueron hidrógeno: más del 90 por ciento de todos los átomos, con un poco de helio y un poco de litio. Esa mezcla de elementos es lo que formaría las primeras estrellas.

Referencias

Breve Historia del Tiempo

Stephen Hawking

The Story of Earth

Roberth M. Hazen

Big Bang

Simon Singh

The Moment of Creation

James S. Trefil

‘Oumuamua (1I / 2017 U1) es el primer objeto de origen interestelar observado en el sistema solar. Recientemente, Micheli et al. (2018) informaron que ‘Oumuamua mostró desviaciones de una órbita Kepleriana en una alta importancia estadística. El descubrimiento del objeto asteroide interestelar (ISA) —1I/2017 ‘Oumuamua –  Suscitó preguntas naturales sobre su origen, algunas relacionadas con su falta de actividad cometaria, lo que sugiere una composición refractaria. Esta semana se ha puesto de moda, por lo que platicaremos un poco sobre la información que se tiene. Las referencias se encuentran al final de la entrada, una vez más, gracias por visitar.

El 19 de octubre de 2017, el Telescopio de Inspección Panorámica y el Sistema de Respuesta Rápida-1 (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System-1 o Pan-STARRS-1) en Hawaii anunció la primera detección de un asteroide interestelar, llamado 1I/2017 U1 (Popularmente conocido como ‘Oumuamua). En los meses que siguieron, se realizaron múltiples observaciones de seguimiento que permitieron a los astrónomos tener una mejor idea de su tamaño y forma, mientras que también reveló que tenía las características de un cometa y un asteroide.

Curiosamente, también ha habido algunas especulaciones de que, en función de su forma, «‘Oumuamua podría ser realmente una nave espacial interestelar (Breakthrough Listen lo monitorizó en busca de señales de señales de radio). Un nuevo estudio realizado por un par de astrónomos del Centro Smithsonian de Astrofísica de Harvard (Harvard Smithsonian Center for Astrophysics –CfA) lo ha llevado un paso más allá, lo que sugiere que ‘Oumuamua puede ser en realidad una vela ligera de origen extraterrestre.

El estudio, «¿Podría la presión de la radiación solar explicar la ‘Aceleración peculiar de ‘Oumuamua?» (Could Solar Radiation Pressure Explain ‘Oumuamua’s Peculiar Acceleration?), que apareció recientemente en línea, fue realizado por Shmuel Bialy y el Prof. Abraham Loeb. Mientras que Bialy es un investigador postdoctoral en el Instituto de Teoría y Computación (Institute for Theory and Computation – ITC) de CfA, el Prof. Loeb es el director del ITC, Frank B. Baird Jr. Professor of Science en la Universidad de Harvard y el presidente principal de Breakthrough Starshot Advisory Committee.

Recapitulando, ‘Oumuamua fue visto por primera vez por Pan-STARRS-1 40 días después de que hizo su pase más cercano al Sol (El 9 de septiembre de 2017). En este punto, estaba a aproximadamente 0.25 UA del Sol (Un cuarto de la distancia entre la Tierra y el Sol), y ya estaba saliendo del Sistema Solar. En ese momento, los astrónomos notaron que parecía tener una alta densidad (Indicativa de una composición rocosa y metálica) y que estaba girando rápidamente.

Si bien no mostró signos de desgasificación al pasar cerca de nuestro Sol (Lo que habría indicado que era un cometa), un equipo de investigación pudo obtener espectros que indicaban que «‘Oumuamua estaba más helado de lo que se pensaba”. Luego, cuando comenzó a abandonar el Sistema Solar, el Telescopio Espacial Hubble tomó algunas imágenes finales de ‘Oumuamua que reveló algún comportamiento inesperado.

Después de examinar las imágenes, otro equipo de investigación internacional descubrió que ‘Oumuamua había aumentado en velocidad, en lugar de disminuir, tal como se esperaba. La explicación más probable, afirmaron, era que «‘Oumuamua estaba descargando material de su superficie debido al calentamiento solar (También conocido como desgasificación)”. La liberación de este material, que es consistente con la forma en que se comporta un cometa, le daría al ‘Oumuamua el empuje constante que necesitaba para lograr este aumento de velocidad.

A esto, Bialy y Loeb ofrecen una contra explicación. Si ‘Oumuamua era en realidad un cometa, ¿Por qué entonces no experimentó desgasificación cuando estaba más cerca de nuestro Sol? Además, citan otras investigaciones que mostraron que si la desgasificación fuera responsable de la aceleración, también habría provocado una rápida evolución en el giro de ‘Oumuamua (Que no se observó).

Básicamente, Bialy y Loeb consideran la posibilidad de que ‘Oumuamua podría ser, de hecho, una vela ligera, una forma de nave espacial que depende de la presión de radiación para generar propulsión, similar a lo que está trabajando en el Breakthrough Starshot. Similar a lo que está previsto para Starshot, esta vela ligera puede ser enviada desde otra civilización para estudiar nuestro Sistema Solar y buscar signos de vida. Como lo explicó el profesor Loeb:

“Explicamos el exceso de aceleración de ‘Oumuamua lejos del Sol como resultado de la fuerza que la Luz del Sol ejerce sobre su superficie. Para que esta fuerza explique el exceso de aceleración medida, el objeto debe ser extremadamente delgado, del orden de una fracción de milímetro de espesor, pero de decenas de metros de tamaño. Esto hace que el objeto sea liviano para su área de superficie y le permite actuar como una vela ligera. Su origen podría ser natural (En el medio interestelar o discos protoplanetarios) o artificial (Como una sonda enviada para una misión de reconocimiento en la región interior del Sistema Solar)».

Basándose en esto, Bialy y Loeb calcularon la probable forma, el grosor y la relación masa-área que tendría un objeto tan artificial. También intentaron determinar si este objeto podría sobrevivir en el espacio interestelar, y si podría o no resistir las tensiones de tracción causadas por la rotación y las fuerzas de marea.

Lo que encontraron fue que una vela que solo tenía una fracción de milímetro de espesor (0.3-0.9 mm) sería suficiente para que una lámina de material sólido sobreviviera el viaje a través de toda la galaxia, aunque esto depende en gran medida de la densidad de masa de ‘Oumuamuam. Gruesa o delgada, esta vela podría soportar colisiones con granos de polvo y gas que impregnan el medio interestelar, así como fuerzas centrífugas y de marea.

En cuanto a lo que estaría haciendo una vela ligera extraterrestre en nuestro Sistema Solar, Bialy y Loeb ofrecen algunas explicaciones posibles para eso. Primero, sugieren que la sonda puede ser realmente una vela difunta que flota bajo la influencia de la gravedad y la radiación estelar, similar a los desechos de los naufragios de barcos que flotan en el océano. Esto ayudaría a explicar por qué Breakthrough Listen no encontró evidencia de transmisiones de radio.

Loeb ilustró aún más esta idea en un artículo reciente que escribió para Scientific American, donde sugirió que «‘Oumuamua podría ser el primer caso conocido de una reliquia artificial que flotaba en nuestro Sistema Solar desde el espacio interestelar. Además, señala que las velas ligeras con dimensiones similares han sido diseñadas y construidas por humanos, incluido el proyecto IKAROS) diseñado por los japoneses y la Starshot Initiative con la que está involucrado.

«Esta oportunidad establece una base potencial para una nueva frontera de la arqueología espacial, a saber, el estudio de las reliquias de civilizaciones pasadas en el espacio», escribió Loeb. «Encontrar evidencia de basura espacial de origen artificial proporcionaría una respuesta afirmativa a la antigua pregunta: ¿Estamos solos? Esto tendría un impacto dramático en nuestra cultura y agregaría una nueva perspectiva cósmica a la importancia de la actividad humana «.

Por otro lado, como menciona Loeb ‘Oumuamua podría ser una pieza activa de tecnología alienígena que vino a explorar nuestro Sistema Solar, de la misma manera que esperamos explorar Alpha Centauri utilizando Starshot y tecnologías similares:

“La alternativa es imaginar que ‘Oumuamua estaba en una misión de reconocimiento. La razón por la que contemplo la posibilidad de reconocimiento es que la suposición de que ‘Oumumua siguió una órbita aleatoria requiere la producción de ~10^{15} tales objetos por estrella en nuestra galaxia. Esta abundancia es hasta cien millones de veces más de lo que se espera del Sistema Solar, según un cálculo que hicimos en 2009. Una sobreabundancia sorprendentemente alta, a menos que ‘Oumuamua sea una investigación específica en una misión de reconocimiento y no sea miembro de una población aleatoria de objetos.»

Según Loeb, también está el hecho de que la órbita de ‘Oumuamua la llevó a 0.25 UA del Sol, que es una buena órbita para interceptar la Tierra sin experimentar demasiada radiación solar. Además, llegó a 0.15 UA de la Tierra, lo que podría haber sido el resultado de correcciones orbitales diseñadas para facilitar un sobrevuelo.

Alternativamente, afirma que es posible que se envíen cientos de estas sondas para que una de ellas se acerque lo suficiente a la Tierra para estudiarla. El hecho de que Pan STARRS-1 apenas detectó ‘Oumuamua en su enfoque más cercano podría ser visto como una indicación de que hay muchos otros objetos similares que no fueron detectados, lo que refuerza el caso de que ‘Oumuamua sea una de muchas de esas sondas.

Teniendo en cuenta que los astrónomos concluyeron recientemente que nuestro Sistema Solar probablemente ha capturado miles de objetos interestelares como ‘Oumuamua, esto abre la posibilidad de futuras detecciones que podrían ayudar a probar (O refutar) el caso de una vela ligera interestelar.

Naturalmente, Bialy y Loeb reconocen que todavía hay demasiadas incógnitas para decir con certeza qué es realmente ‘Oumuamua. E incluso si resulta que es una pieza de roca natural, todos los demás asteroides y cometas que se han detectado anteriormente tienen proporciones de masa a área de magnitud mayor que las estimaciones actuales para ‘Oumuamua.

Eso, y el hecho de que la presión de radiación parece ser capaz de acelerarla, significaría que ‘Oumuamua representa una nueva clase de material interestelar delgado que nunca antes se había visto. Si es verdad, eso abre un nuevo conjunto de misterios, por ejemplo, cómo se produjo ese material y por qué (¿O quién?).

Si bien ha estado fuera del alcance de nuestros telescopios durante casi un año, ‘Oumuamua seguramente seguirá siendo objeto de un intenso estudio durante muchos años. ¡Y puedes apostar que los astrónomos estarán atentos a más!

Referencias

Breakthrough Initiatives

Breakthrough Listen

Breakthrough listen releases initial results and data from observations of ‘Oumuamua

Breakthrough Starshot Initiative

Small Solar Power Sail Demonstrator «IKAROS»

JAXA Japan Aerospace Exploration Agency Website

Could Solar Radiation Pressure Explain ‘Oumuamua’s Peculiar Acceleration?

Shmuel Bialy, Abraham Loeb

How to Search for Dead Cosmic Civilizations

Abraham Loeb

Non-gravitational acceleration in the trajectory of 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)

Micheli et al. (2018)

Spin Evolution and Cometary Interpretation of the Interstellar Minor Object 1I/2017 ‘Oumuamua

Roman R. Rafikov

El objetivo de la astrofísica nuclear es comprender las reacciones nucleares que dan forma a gran parte de la naturaleza del universo visible. La fusión nuclear es el motor de las estrellas; produce la energía que los estabiliza contra el colapso gravitacional y los hace brillar. Las explosiones estelares espectaculares como las novas, las explosiones de rayos X y las supernovas tipo 1a se alimentan de reacciones nucleares. Mientras que la principal fuente de energía de las supernovas de colapso del núcleo y los estallidos largos de rayos gamma es la gravedad, la física nuclear desencadena la explosión. Las estrellas de neutrones son núcleos gigantes en el espacio, y es probable que se generen estallidos cortos de rayos gamma cuando colisionan esos gigantescos núcleos. Y, por último, pero no menos importante, los planetas del sistema solar, sus lunas, asteroides y vida en la Tierra, todos deben su existencia a los núcleos pesados ​​producidos por reacciones nucleares a lo largo de la historia de nuestra galaxia y dispersados ​​por vientos y explosiones estelares.

Entre las preguntas abiertas que guiarán a la astrofísica nuclear en la próxima década están estas:

• ¿Cómo surgieron los elementos?
• ¿Qué hace que las estrellas exploten como supernovas, novas o explosiones de rayos X?
• ¿Cuál es la naturaleza de las estrellas de neutrones?
• ¿Qué pueden decirnos los neutrinos sobre las estrellas?

Responder a estas preguntas requiere comprender detalles estructurales intrincados de miles de núcleos estables e inestables, y así se basa en gran parte del trabajo descrito en la sección anterior sobre la estructura nuclear. Esto se puede ver en la siguiente Figura, que ilustra los principales procesos nucleares que dan forma al universo visible. Cada paso de cada proceso depende de la naturaleza de ese núcleo particular. Como ejemplo, un pequeño cambio de solo 10 por ciento en la energía de un solo estado excitado de un núcleo particular, el famoso estado de Hoyle en carbono-12, haría que los elementos pesados, los planetas y la vida tal como la conocemos desaparezcan.

Desentrañar la física nuclear del cosmos, por lo tanto, requiere una amplia gama de enfoques experimentales y teóricos. En la última década, mediciones de laboratorio cada vez más sensibles de reacciones nucleares de baja energía permitieron modelos solares precisos que revelaban un déficit de neutrinos solares detectados en la Tierra. El conocimiento de este déficit de neutrinos solares combinado con los resultados de los detectores de neutrinos avanzados llevó a los científicos al descubrimiento de que los neutrinos tienen masa y confirmó la precisión de los modelos solares. Las mediciones de precisión de laboratorio también revelaron que las reacciones nucleares que queman hidrógeno en estrellas masivas a través del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) proceden mucho más lentamente de lo que se había anticipado, cambiando las predicciones de las vidas de las estrellas. Algunos isótopos clave en la secuencia de reacción del proceso de captura rápida de neutrones (Proceso-r) responsable del origen de los elementos pesados ​​en la naturaleza ahora han sido producidos por instalaciones de isótopos raros. Las técnicas experimentales avanzadas también permitieron mediciones de las propiedades nucleares que caracterizan su papel en el proceso-r, a pesar de la corta vida útil y las pequeñas cantidades de producción. Las mismas técnicas sensibles permitieron mediciones precisas de masa y decaimiento de la mayoría de los isótopos raros extremadamente deficientes en neutrones en el proceso de captura rápida de protones que alimenta las explosiones de rayos X. Los resultados explican la existencia de dos clases de estallidos de rayos X, ráfagas cortas y largas. Además, se descubrió una nueva y rara clase de estallidos de rayos X, los llamados superbursts, y la física nuclear proporcionó la explicación probable de una explosión profunda de carbono. Los nuevos modelos de supernova de colapso del núcleo multidimensional incluyeron física de interacción débil mucho más realista y propiedades de materia nuclear debido a los nuevos resultados de experimentos de laboratorio y cálculos de teoría nuclear. Contrariamente a trabajos anteriores, algunos de estos modelos de supernova que ahora explotan, aunque quedan muchas preguntas sobre el mecanismo de explosión. En estos modelos de explosión de supernova, se encontró un nuevo tipo de proceso nuclear que produce elementos pesados, el llamado proceso de neutrino-p. El descubrimiento de la estrella de neutrones más masiva hasta la fecha ha eliminado muchas predicciones teóricas sobre la naturaleza de la materia nuclear.

Los futuros esfuerzos de la astrofísica nuclear están emergiendo a lo largo de dos fronteras: (1) El estudio de isótopos inestables que existen en grandes cantidades dentro de estrellas de neutrones y se producen copiosamente en explosiones estelares, pero son difíciles de fabricar en laboratorios y (2) La determinación de reacciones nucleares extremadamente lentas tasas, que son importantes para la comprensión de las estrellas. Permitido por los avances técnicos, se espera un progreso espectacular en la próxima década en ambas fronteras. La instalación de FRIB en los Estados Unidos, junto con otros laboratorios de isótopos raros de todo el mundo, proporcionará un acceso sin precedentes en el laboratorio a los mismos isótopos inestables que juegan un papel crucial en los eventos cósmicos. Y una nueva generación de aceleradores de rayo estables de alta intensidad que se ubicarán a gran profundidad, como se ha propuesto para los Estados Unidos, permitirá la medición de reacciones nucleares estelares extremadamente lentas sin perturbación de la radiación cósmica.

También ha surgido una frontera de precisión en el área de medición de las velocidades de reacción inducidas por neutrones utilizando haces de neutrones. Se necesita trabajar en esta frontera no solo para comprender el origen de los elementos producidos por las reacciones de captura de neutrones, sino también para las aplicaciones de la ciencia nuclear que dependen de los procesos de captura de neutrones.

La teoría nuclear es de especial importancia para la astrofísica nuclear por muchas razones:

• Las densidades y temperaturas extremas que se encuentran dentro de las estrellas alteran las propiedades de los núcleos en comparación con lo que se mide en los laboratorios terrestres. La teoría nuclear es necesaria para calcular las correcciones necesarias, como las excitaciones térmicas y la detección de electrones.
• En algunos entornos astrofísicos como el proceso-r o el interior de estrellas de neutrones, existen isótopos extremadamente raros que no se pueden producir en cantidades suficientes para caracterizar completamente sus propiedades incluso con las instalaciones de isótopos raros más poderosas en el horizonte. Se necesitan datos experimentales sobre isótopos raros para avanzar en los modelos de la teoría nuclear, que luego se pueden utilizar para predecir los datos restantes que aún están fuera del alcance de los experimentos.
• Muchas velocidades de reacción astrofísicas no se pueden medir directamente porque las tasas son demasiado pequeñas y los haces demasiado débiles. Las técnicas indirectas, donde se usa una reacción indirecta más rápida para restringir la reacción astrofísica lenta, requieren una teoría de reacción confiable. Además, la teoría nuclear es necesaria para calcular las velocidades de reacción donde no existe información experimental.
• La materia nuclear densa puede producirse en el laboratorio durante breves períodos, pero solo puede observarse indirectamente a partir de la emisión de partículas resultante. Es necesario un esfuerzo teórico significativo para interpretar las mediciones de reacción de laboratorio, y las restricciones experimentales deben usarse para avanzar en la confiabilidad de la ecuación de estado de materia nuclear necesaria en muchos escenarios astrofísicos.

El progreso en astrofísica nuclear también debe ir de la mano del progreso en astrofísica y astronomía observacional. Las observaciones astronómicas de las manifestaciones de los procesos nucleares en el cosmos proporcionan el vínculo entre el laboratorio y la naturaleza. La última década ha visto un progreso extraordinario en astronomía, con observaciones de alta precisión de la composición de estrellas muy antiguas en los telescopios más grandes de la Tierra y en el espacio, y con encuestas que exploran cientos de miles de estrellas candidatas para encontrar los objetivos. Una nueva generación de telescopios espaciales de rayos X ha abierto una nueva era en la comprensión de los fenómenos relacionados con las estrellas de neutrones. Los observatorios de rayos gamma detectaron las desintegraciones de isótopos raros en el espacio, expulsados ​​por explosiones estelares. Los telescopios de Neutrino proporcionaban imágenes de neutrinos del sol y anteriormente habían registrado neutrinos de una supernova cercana. En la próxima década, este progreso seguramente continuará. Cualquier investigación en curso a gran escala para buscar estrellas viejas solo funcionará en la próxima década, y una nueva generación de telescopios terrestres más grandes permitirá la espectroscopía detallada en muchos de los objetivos resultantes. Los observatorios existentes de rayos X se complementarán con nuevas instalaciones que llevarán las observaciones hacia rayos X más duros y posiblemente rayos gamma y proporcionarán nuevos datos sobre estrellas de neutrones y explosiones estelares. Se espera que los detectores de ondas gravitacionales de nueva generación detecten señales de supernovas y estrellas de neutrones por primera vez. Los observatorios de Neutrinos están listos, y con un poco de suerte podrían observar una supernova galáctica, un logro que revolucionaría nuestra comprensión de tal evento. Y se espera que un nuevo impulso en la astronomía hacia los estudios de campo amplio y de alta repetición arroje nueva luz sobre las supernovas y conduzca al descubrimiento de nuevos fenómenos astrofísicos transitorios, posiblemente de energía nuclear.

La astronomía, el modelaje de la astrofísica y la física nuclear deben trabajar juntas para lograr avances en astrofísica nuclear. La comunicación a través de los límites del campo, la coordinación de la investigación interdisciplinaria y el intercambio de datos son esenciales para que estos campos aborden conjuntamente las preguntas abiertas. El Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear (Joint Institute for Nuclear Astrophysic), financiado por la Iniciativa del Centro de Fronteras Físicas (Physics Frontiers Center Initiative) de la National Science Foundation (NSF), ha sido fundamental para formar y mantener una plataforma mundial única para fomentar dicha colaboración interdisciplinaria entre las diferentes comunidades de astrofísica nuclear.

Finalmente, será importante fortalecer los esfuerzos para coordinar la investigación a través de los límites del campo, para formar amplias redes de investigación interdisciplinarias que integren la amplia gama de conocimientos requeridos y para facilitar el intercambio de datos e información entre la astrofísica y la física nuclear, y entre experimentos, observaciones y teoría. Tales redes de investigación interdisciplinarias también son necesarias para atraer y educar a la próxima generación de astrofísicos nucleares, quienes, con las nuevas instalaciones emergentes en física nuclear, astrofísica e informática de alto rendimiento, es probable que hagan avances transformacionales en nuestra comprensión del cosmos.

Referencias

Understanding superbursts

Jean in ’t Zand

X-ray bursts and superbursts – recent developments

Jean in ’t Zand

Superburst Models For Neutron Stars With Hydrogen And Helium-Rich Atmospheres

L. Keek; A. Heger; Jean in ’t Zand

R-Process Nucleosynthesis in Supernovae

John J. Cowan and Friedrich-Karl Thielemann

Nucleosynthesis of Heavy Elements by Neutron Capture

Philip A Seeger; William A. Fowler; Donald Clayton

Nucleosynthesis

N. Langer

En su alegoría de la cueva, el filósofo griego Platón describió a los prisioneros quienes pasaron un largo periodo de tiempo encadenados al muro de una obscura caverna. Detrás de los prisioneros estaba una llama, y entre los prisioneros y la llama estaban colocados algunos objetos que proyectaban sombras en el muro, dentro del campo de visión de los prisioneros. Estas sombras bidimensionales eran las únicas cosas que los prisioneros podían ver (En su propia realidad). Sus grilletes les limitaban la percepción del mundo real, un reino con una dimensión adicional al mundo que observaban, una dimensión rica en complejidad capaz de explicar todo lo que podían ver.Platón estaba sobre algo. ¿Podríamos nosotros vivir en una gigantesca y cósmica cueva creada al inicio de nuestra existencia? Normalmente escuchamos que el Universo se creó durante el Big Bang  el cual inició a partir de un punto infinitivamente denso (Tema que hemos abordado aquí, desde luego http://laenciclopediagalactica.info/tag/big-bang/). El día de hoy, quisiera platicarles sobre otra de las teorías actuales que se tienen sobre la formación del Universo. De acuerdo a algunos cálculos recientes, se estima que hemos alcanzado la capacidad de ‘rastrear’ la historia del Universo, hasta una era previa al Big Bang (Una era con una dimensión adicional en el espacio). Este protouniverso podría haber dejado trazas visibles que las posteriores observaciones astronómicas podrían dejar al descubierto.

El Universo nos parece que existe en tres dimensiones de espacio y una de tiempo (Geométricamente la denominados como Universo Tridimensional). En nuestro escenario (Es decir, el tema a tratar el día de hoy), este Universo tridimensional es meramente una sombra de un Universo tetradimensional. Específicamente, nuestro Universo entero se habría originado durante la implosión estelar de ese Suprauniverso, una implosión que creó nuestro Universo tridimensional, alrededor de un agujero negro tetradimensional.

Pero ¿Cómo es que se llegó a este postulado? A muchos les suena absurdo. Bueno, este concepto se sustenta en dos pilares. El primero es que estas ideas no son mera especulación, están soportadas firmemente en las matemáticas que describen el espacio y el tiempo.

En las dos últimas décadas los físicos han desarrollado la teoría de la holografía (¿Lo recuerdan? http://laenciclopediagalactica.info/2013/09/24/un-origen-holografico-para-el-universo/), un conjunto de herramientas matemáticas que permiten traducir las descripciones de eventos en una dimensión a la física de dimensiones diferentes. Por ejemplo, los investigadores pueden resolver ecuaciones relativamente sencillas de dinámica de fluidos en dos dimensiones y utilizar esas ecuaciones para entender que está pasando en un sistema más complejo (Por ejemplo, la dinámica de un agujero negro tridimensional). Matemáticamente, las dos descripciones son intercambiables (El fluido sirve como una analogía perfecta ara el extraordinario agujero negro).

El éxito de la holografía ha convencido a una gran cantidad de científicos. Quizás los límites entre dimensiones sean menos estables de lo que creemos. Quizás las reglas del cosmos están escritas en otro conjunto de dimensiones y las percibimos traducidas en tres dimensiones. Quizás, como los prisioneros que Platón describió, nuestras circunstancias especiales nos han engañado haciéndonos creer que el mundo es tridimensional cuando de hecho un mejor entendimiento de lo que percibimos se explica mejor en la cuarta dimensión.

Hay una segunda razón por la cual vale la pena pensar en el Universo tetradimensional. Un estudio de este Universo podría ayudarnos a entender cuestiones profundas acerca del origen y naturaleza del Cosmos. Consideremos, por ejemplo, el Big Bang, el instante primordial que trajo el Universo a nuestra existencia. La cosmología moderna sostiene que el al Big Bang inmediatamente le sucedió una “Inflación” (Un periodo de rápida expansión en el cual el naciente Universo incrementó su volumen en un factor de 10⁷⁸ o más). Está expansión todavía no proporciona pistas o señales sobre qué fue lo que originó el Big Bang. La idea del Universo tetradimensional, en contraste, proporciona la respuesta a la pregunta “¿De dónde viene el Universo? Claro está que nos plantea la pregunta “¿Cómo se originó el Universo tetradimensional? Pero bueno, eso lo dejaremos para otro post.

El Cosmos conocido y desconocido

Las investigaciones en el Universo tetradimensional se han realizado debido a las dificultados que conlleva solo contemplarlo como un Universo tridimensional. La cosmología moderna ha sido fantásticamente exitosa, y ese éxito ha desmentido profundos y complejos misterios que nos ha llevado hasta la explicación holográfica.

Los cosmólogos pueden describir la historia del Universo entero (Desde el día de hoy hasta una pequeña, muy pequeña fracción de un segundo después del Big Bang) utilizando unas cuantas ecuaciones (Principalmente las proporcionadas por Albert Einstein) y cinco números independientes (O parámetros). Estos parámetros incluyen las densidades de la materia ordinaria, la materia oscura y la energía oscura, junto con la amplitud y forma de las fluctuaciones cuánticas en el Universo naciente. Este modelo (Conocido como el paradigma cosmológico λ-CDM, por sus siglas en inglés: Lambda Cold Dark Matter) describe cientos (Sino es que miles) de puntos de observación de información, cubriendo escalas que van desde el millón de años-luz hasta diez mil millones de años-luz a través de, y hasta el borde de nuestro Universo observable.

Pero esas observaciones exitosas no significan que la tarea se haya completado. La historia del Universo está empacada con algunos agujeros problemáticos. Los científicos se han confrontado con cuestiones fundamentales acerca de la naturaleza del cosmos (Problemas que actualmente no han podido resolverse).

Problema 1: No hay un completo entendimiento acerca de los cinco parámetros

No se cuenta aún con una explicación satisfactoria de los cinco parámetros del modelo λ-CDM, algunos de los cuales deben ser seleccionados de manera muy precisa de acuerdo con las observaciones. Considerar la densidad de la materia y energía del Universo. Solo hace unas décadas los astrónomos creían que la materia ordinaria (Los elementos presentes en La Tabla Periódica) serían la forma dominante de masa-energía. Las observaciones cosmológicas han revisado de manera radical esta afirmación (Y durante el camino se han otorgado tres premios Nobel). Ahora sabemos que la densidad de la materia ordinaria es de solo el 5% de la densidad de energía total del Universo. Otro 25% proviene de la materia oscura, una forma desconocida de materia cuya existencia es inferida por la atracción gravitacional (Más información aquí http://laenciclopediagalactica.info/2010/08/28/materia-oscura/). El 70% restante está formado de energía oscura (Más información aquí http://laenciclopediagalactica.info/2010/08/29/energia-oscura/), la materia misteriosa que es causante de que el ritmo de expansión del Universo se acelere en lugar de desacelerar por la atracción gravitatoria. ¿Qué son la materia y energía oscuras y por qué conforman la mayor parte del Universo? Aún no lo sabemos.

Quizás las respuestas se presenten cuando entendamos mejor el Big Bang (El abrupto origen del espacio y el tiempo en un plasma caliente de radiación y partículas a una temperatura superior a los 10²⁷ grados). Es muy difícil imaginar cómo una situación como la del Universo en esos momentos después del Big Bang nos llevó a lo que observamos actualmente (Un cosmos de prácticamente una temperatura uniforme con una geometría espacial a gran escala, en la cual los ángulos de los triángulos suman 180°).

La inflación cósmica puede ser la mejor idea que tenemos para entender la estructura a gran escala del Universo. La inflación puede tender a “aplanar” el Universo, suavizar las regiones curvas del espacio-tiempo, y brindarnos una temperatura uniforme.  Como una lupa cósmica, la inflación también amplifica las pequeñas fluctuaciones cuánticas en la densidad de la energía hasta las dimensiones cósmicas durante este proceso. Estas fluctuaciones a su vez se convierten en “las semillas” que formarán las galaxias, estrellas, planetas y los organismos vivientes, tal como los que pueblan este planeta.

La inflación es generalmente considerada como un paradigma exitoso. Por décadas, los cosmólogos han verificado las predicciones de la inflación por observación de la radiación de microondas cósmicas de fondo (CMB, por sus siglas en inglés: Cosmic Microwave Background http://laenciclopediagalactica.info/2011/02/10/%c2%bfpor-que-el-universo-se-esta-acelerando/), un registro cósmico de la fluctuación de la densidad en el Universo naciente. Las observaciones recientes del satélite Planck confirman que nuestro Universo es prácticamente plano (No en el concepto de dos dimensiones) y que es uniforme, tal como lo predice la inflación. Además, la amplitud observada y la forma de las fluctuaciones de la materia primordial están en amplio acuerdo con lo que esperamos de la inflación para magnificar el vacío cuántico.

Problema 2: No entendemos la inflación completamente.

Deberíamos preguntarnos qué es lo que llevó a esta inflación, la cual utilizó una gran cantidad de energía. Imaginamos que, poco después de que se originó el Big Bang, el Universo se llenó con energía que tomó de la forma de una partícula hipotética llamada Inflaton. La partícula de Higgs, descubierta recientemente por el LHC en el CERN, cerca de Ginebra, comparte muchas propiedades con (Y es un posible candidato a serlo) el inflaton. El inflaton puede ser responsable tanto de la temprana expansión acelerada como por la estructura de nuestro Universo porque las diferencias significativas en la densidad en el Universo temprano son causadas por las diminutas fluctuaciones cuánticas en la energía de campo del inflaton.

Pero el inflaton no resuelve nuestros problemas; solo los hace retroceder un paso. Las propiedades del inflaton, su procedencia, y como encontrarlo, permanecen en el misterio. De hecho, no estamos seguros realmente si existe.

Además, los físicos no entienden cómo es que termina el inflaton naturalmente. Si algún tipo de energía lo maneja conduce la expansión exponencial del Universo ¿Qué haría que se ‘apagara’ de repente? Y carecemos de una descripción satisfactoria de la historia de nuestro cosmos antes de la era inflacionaria (Aquellas primeras trillonésimas de segundo después del Big Bang)

Problema 3: No entendemos como inició todo

El reto más grande de la cosmología es entender el Big Bang mismo (El surgimiento repentino, violento, de todo el espacio, tiempo y materia de un punto infinitamente denso denominado “Una singularidad”). Una singularidad es una cosa bizarra inimaginable, un punto donde el espacio y el tiempo se curvan en sí mismos, haciendo imposible distinguir el futuro del pasado. Todas las leyes de la física se rompen. Una singularidad es un Universo sin ningún orden ni reglas. De una singularidad puede venir cualquier cosa que pueda existir de manera lógica. No tenemos razones para creer que una singularidad podría generar un Universo tan ordenado como el que vemos.

Esperaríamos que el surgimiento de un universo desde una singularidad sería caótico, marcado por altas fluctuaciones de temperatura de un punto a otro. Además, no podría esperarse que el poder aumentado de la inflación ‘tranquilizara’ todo. De hecho, si esas fluctuaciones son demasiados largas, la inflación podría no tener una oportunidad de ocurrir. El problema de una singularidad no puede ser resuelta solo por la inflación.

Las singularidades son extrañas, pero no desconocidas. Forman parte también del centro de los agujeros negros, esos remanentes colapsados de las estrellas gigantes. Todas las estrellas son hornos nucleares que fusionan elementos ligeros (Principalmente hidrógeno) en otros más pesados. Este proceso de fusión nuclear energiza a una estrella más allá de su vida, per eventualmente, la estrella agota todo su combustible nuclear, y la gravedad se hace cargo. Una estrella al menos 10 veces más masiva que nuestro Sol colapsará en sí misma antes de explotar como una Supernova. Si la estrella es aún mayor (15 a 20 masas solares o incluso más) la Supernova dejará un núcleo denso que colapsa, contrayéndose en un punto de tamaño “cero”, un agujero negro.

Los agujeros negros pueden considerarse como regiones del espacio en los cuales ni siquiera la luz se puede escapar. Dado que la velocidad de la luz es la máxima velocidad alcanzable por cualquier forma de materia, los límites de un agujero negro (Una superficie bidimensional denominada Horizonte de sucesos) es un punto de no retorno: Si cae materia estelar (O cualquier otra cosa) en el interior de sus límites, es separada del resto del Universo y empujada inexorablemente hacia el centro de la singularidad.

Al igual que con el Big Bang, las leyes de la física se rompen en esta singularidad también. La diferencia con el Big Bang es, sin embargo, que un agujero negro está rodeado por este horizonte de sucesos. La superficie actúa como una envoltura blindada (La cual previene que cualquier información acerca de la singularidad se fugue). El horizonte de sucesos de un agujero negro ‘protege’ a los observadores externos los efectos impredecibles de la singularidad.

El horizonte de sucesos efectivamente interpreta la impotente singularidad, haciendo posible para las leyes de la física describir y predecir lo que observamos. Visto a la distancia, un agujero negro parecer ser una simple, suave y uniforme estructura, descrita solo por su masa y momento angular (Y carga eléctrica, si es que se tiene). Aunque los físicos recientemente han destacado algunas cuestiones interesantes acerca de si la imagen convencional es consistente con la física cuántica (Platicaremos al respecto en uno o dos meses, cuando mucho), la hipótesis de trabajo en la cosmología es que los agujeros negros están envueltos por su horizonte de sucesos.

En contraste, la singularidad del Big Bang (Como lo entendemos comúnmente) no está envuelta. No tiene un horizonte de sucesos. A algunos físicos les gustaría tener una manera de protegernos de la singularidad del Big Bang y su catastrófica imprevisibilidad, tal vez por algo parecido a un horizonte de sucesos.

Un grupo de físicos ha propuesto tal escenario. Convierte al Big Bang en un espejismo cósmico. La imagen envuelve la singularidad en el Big Bang justo como un horizonte de eventos envuelve la singularidad en el corazón de un agujero negro. La envoltura nos protegería de la singularidad mercurial y los efectos nefarios.

Colapso extradimensional

Tal envoltura puede diferir de un horizonte de sucesos ordinario en una situación crítica. Dado que percibimos nuestro universo en tres dimensiones espaciales, el horizonte de sucesos que envuelve a la singularidad en el corazón del Big Bang debe tener tres dimensiones espaciales (No solo dos). Si imaginamos que este horizonte de sucesos también proviene del resultado de un colapso cósmico (Tal como el horizonte de sucesos de un agujero negro bidimensional es formado por el colapso de una estrella tridimensional) entonces el colapso tendría que tener lugar en un universo con cuatro dimensiones espaciales.

Este tipo de escenario extradimensional, en el cual el número de dimensiones en el espacio excede las obvias tres, es una idea casi tan vieja como la misma relatividad general. Fue propuesta originalmente por Theodor Kaluza en 1919 y expandida por Oscar Klein en la década de 1920. Su idea fue ampliamente olvidada por más de medio siglo antes de que los físicos la recuperaran en la década de 1980. En fechas más recientes, los científicos la han utilizado para construir una cosmología de los denominados Brane Worlds.

La idea básica de un Brane World es que nuestro Universo tridimensional es un sub-universo incrustado en un espacio mayor de cuatro o más dimensiones espaciales. El Universo tridimensional es llamado Brane, y el Universo mayor es denominado Masivo. Todas las formas conocidas de materia y energía están ‘atrapadas’ a nuestro Brane tridimensional tal como una película proyectada en la pantalla del cine (O la sombra que se formaba en la caverna de los prisioneros mencionados por Platón al inicio de ésta publicación).  La excepción es la gravedad, la cual permea a las dimensiones superiores del Masivo.

Pensemos acerca del superuniverso masivo de cuatro dimensiones espaciales que podría haber existido antes del Big Bang. Podemos imaginar que este Universo estaba lleno con objetos tales como estrellas y galaxias tetradimensionales. Estas estrellas se quedarían sin combustible (Tal como les pasa a las tridimensionales) y colapsarían en agujeros negros.

¿Cómo luciría un agujero negro tetradimensional? Podría poseer un horizonte de sucesos también, una superficie de no retorno de la cual no podría escapar. Pero en lugar de una superficie bidimensional, como podrían ser los ordinarios, generaría un horizonte de sucesos tridimensional.

De hecho, modelando el colapso de muerte de una estrella tetradimensional, encontramos, bajo un determinado conjunto de suposiciones, que el material expulsado del colapso estelar puede formar un Universo Brane tridimensional de lenta expansión rodeando este horizonte de sucesos tridimensional. Así, nuestro Universo sería un Brane Tridimensional (Una especie de holograma para una estrella tetradimensional colapsando en un agujero negro). La singularidad cósmica del Big Bang está oculta a nosotros, sin acceso para siempre detrás de un horizonte de sucesos tridimensional.

¿Esto es real?

Este modelo tiene cierto número de detalles a favor, comenzando con el hecho de que elimina la singularidad manifiesta que dio lugar a el Universo. Pero ¿Qué hay al respecto de los otros detalles cosmológicos como la cercanía al Universo plano y la alta uniformidad del Cosmos? Dado que un Universo Masivo tetradimensional podría haber existido por una cantidad de tiempo infinitamente grande en el pasado, cualquier punto caliente o frío tendría el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio. El Universo Masivo sería liso, y nuestro Universo Brane tridimensional podría heredar esta lisura.

Además, debido a que el agujero negro tetradimensional podría aparecer también casi sin rasgos, nuestro emergente Universo Brane tridimensional sería igualmente liso. La gran masa de esta estrella tetradimensional, la lisura del Brane tridimensional, y la llanura de nuestro Universo es una consecuencia de éstos detritos residuales del colapso de una estrella pesada.

De esta manera, el modelo de un Big Bang holográfico resolvería no solo los principales rompecabezas de uniformidad y cercana llanura de la cosmología estándar sin recurrir a la inflación, sino que también nulifica los efectos dañinos de la singularidad inicial.

La idea puede sonar un tanto loca, pero hay varias maneras en las que podemos probarlo. Una es por medio del estudio de la radiación de microondas cósmicas de fondo (CMB, por sus siglas en ingles). En el exterior del 3-Brane, esperaríamos algo de material masivo tetradimensional (Algo atraído por la atracción gravitacional del agujero negro). Podemos observar que las fluctuaciones térmicas en esta materia extra crearán fluctuaciones en el 3-Brane que altera la distorsión del CMB por pequeñas, pero potencialmente medibles cantidades. Los cálculos recientes difieren de la información obtenida por el observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) por aproximadamente el 3%. Esta discrepancia podría ser el resultado de los efectos secundarios que se dan en el proceso del modelado.

Además, si el agujero negro tetradimensional está girando (Algo muy común en los agujeros negros), entonces este 3-Brane no se observaría igual en todas las direcciones. Los astrónomos también pueden ser capaces de encontrar esta ‘direccionalidad’ estudiando las variaciones sutiles en el CMB.

Desde luego, aun cuando el Big Bang holográfico resolviera una de las cuestiones más grandes (El origen de nuestro universo) de manera simultánea incrementaría un nuevo conjunto de misterios. El primero de ellos (Y quizás el más importante): ¿De dónde proviene el ‘progenitor’ de nuestro universo?

Para una solución a este rompecabezas, podríamos regresar a Platón. Cuando los prisioneros de la historia de Platón salieron de la cueva, la luz del Sol les lastimó los ojos. Les tomó un tiempo para, digamos, ‘ajustar’ el brillo. Al principio, los prisioneros solo fueron capaces de entender las sombras y las reflexiones. Después, ellos pudieron ver la Luna y las estrellas. Finalmente, concluyeron correctamente que el Sol era “El autor de todo lo que podían ver” (Día, noche, estaciones y sombras).

Los prisioneros de la historia de Platón no entendían los ‘poderes’ detrás del Sol, como nosotros aún no terminamos de asimilar el concepto de un universo tetradimensional. Pero al menos, ellos sabían donde comenzar a buscar respuestas.

Referencias

Out of the White Hole: A Holographic Origin for the Big Bang.

Razieh Pourhasan, Niayesh Afshordi and Robert B. Mann

Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Vol. 2014

Kaluza-Klein Gravity

Kaluza-Klein Theory

Kaluza-Klein Supergravity

An Introduction to the Brane World

En la última década ha habido una gran mejora en la comprensión de cómo la magnetósfera responde a las alteraciones atmosféricas como un sistema coherente de plasmas acoplados, interactuando mutuamente. Las simulaciones han desempeñado un papel central al proporcionar información contextual cuantitativa que vincula las observaciones de un solo punto y permite evaluar el comportamiento global implicado por observaciones locales. Estos avances fueron acompañados de mediciones continuas del viento solar y el IMF, así como numerosas observaciones in situ en el espacio, bases terrestres y redes de sensores remotos para producir descubrimientos de respuestas globales características. Los investigadores se han dado cuenta de que existen múltiples vínculos dinámicos no lineales cuyas consecuencias para el comportamiento magnetósfera-ionosfera acoplado solo se revelan cuando se integran en conjunto en el sistema global. Como resultado, el sistema exhibe una característica no lineal, dinámica caótica o comportamiento “emergente”, el cual no podría haber sido predicho sin el conocimiento de la física de acoplamiento.

El acoplamiento electrodinámico entre la magnetósfera y la ionosfera modifica la respuesta disipativa simple en formas ‘dramáticas’. La interacción actual del anillo con la ionosfera distorsiona gravemente la convección de la magnetósfera interior, misma que se alimenta del anillo mismo, sesgando su pico hacia el alba. Los canales de flujo duskside derivados de la ionosfera acoplada permanecen largos periodos de tiempo una vez ha pasado el torrencial viento solar. Estos estudios hicieron ‘añicos’ la noción de que la magnetósfera interior está aislada de la magnetósfera externa y en reposo.

Actualmente se ha establecido que la aceleración de las tormentas y la inyección del anillo actual dependen de la carga de la magnetósfera antes de la tormenta de viento solar. Las observaciones de las sondas espaciales y las simulaciones numéricas muestran que la entrada de plasma del viento solar en la magnetósfera es sorprendentemente eficiente en condiciones de “reposo” de un campo magnético interplanetario en dirección norte. Este plasma a su vez participa como un elemento sustancial del desarrollo de la tormenta en el anillo actual cuando los campos magnéticos están acoplados en dirección sur y energizan la magnetósfera. La plasmasfera a su vez controla si las inyecciones del anillo actual actúan para mejorar o agotar las ‘poblaciones’ de partículas energéticas, volcando la idea de una plasmasfera pasiva en reposo. La superposición del recién inyectado, caliente, plasma del anillo actual con la pasmasfera densa, produce inestabilidades locales. Las ondas resultantes dispersan las partículas del cinturón de radiación, agotándolos. Las predicciones de que el plasma denso frío facilita la aceleración de electrones de alta energía a energías relativistas también fueron confirmadas por observaciones. Por lo tanto, se ha establecido que las dinámicas pre-inyección son críticas en el establecimiento del estado de la plasmasfera y regula la respuesta a las tormentas del cinturón de radiación.

La ionosfera también puede ser una fuente importante de plasma para la magnetósfera. La comprensión del flujo de salida de iones de la ionoesféricos avanzó de manera significativa, y se establecieron las condiciones que promueven la extracción del plasma de la ionosfera a altitudes elevadas y en la magnetósfera. Se mostró que la densidad del viento solar y el aumento de la presión dinámica, conducen a un mejor flujo de salida de la ionosfera, pero los mayores rangos de flujo también están correlacionados estrechamente con el flujo de energía electromagnética a la ionosfera. El rendimiento del flujo de energía del viento solar a partir del flujo de salida intenso de los iones ionosféricos apoya las predicciones teóricas de que este flujo requiere un proceso de múltiples etapas involucrando una combinación de calentamiento local por ondas electromagnéticas. También se demostró que el flujo de salida de la ionosfera tiene consecuencias ‘dramáticas’ para la evolución dinámica de la magnetósfera. Los flujos de salida se incorporan con plasmas originados por el viento solar en la lámina de plasma, creando un plasma multi-especie que altera la dinámica de reconexión magnética. Las simulaciones globales de multifluidos confirmaron el papel que desempeña el flujo de la ionosfera en la creación de subtormentas periódicas, o los denominados intervalos ‘dientes de sierra’ (Sawtooth).

El descubrimiento de las condiciones de pre-acondicionamiento y de vías eficientes para el acoplamiento magnetósfera-ionosfera, y la identificación de las dinámicas que emergen, proporcionan la base para un programa de investigaciones para lograr una comprensión cuantitativa y predictiva del comportamiento del sistema bajo condiciones extremas.

Referencias

Nonlinear Dynamics and Chaos

Steven H. Strogatz

Morphology of the ring current derived from magnetic field observations

G. Le, C. T. Russell, & K. Takahashi

The Role of Substorms in Storm-time Particle Acceleration

Ioannis A. Daglis & Yohsuke Kamide

Duskside auroral undulations observed by IMAGE and their possible association with large-scale structures on the inner edge of the electron plasma sheet

W. S. Lewis, J. L. Burch, J. Goldstein, W. Horton, J. C. Perez, H. U. Frey, & P. C. Anderson.

Ring Current Behavior Inferred From Ground Magnetic and Space Observations

F. Søraas, M. Sørbø, K. Aarsnes, & D.S. Evans

The Plasmasphere Boundary Layer

D. L. Carpenter & J. Lemaire

Pulsaciones Geomagnéticas Tipo Pi2 Registradas Simultáneamente en la Magnetósfera y en Tierra.

A. D’Costa Mendez, R. Torres Rivero, J. Pérez Hernández, R. V. Schepetnov

Ion Stopping in Dense Plasma Target for High Energy Density Physics

C. Deutsch et al.

Spatial and Temporal Variations of the Cold Dense Plasma Sheet: Evidence for a Low-Latitude Boundary Layer Source?

Marit 0ieroset, Tai D. Phan, Masaki Fujimoto, Leon Chan, Robert P. Lin, & Ruth Skoug

Magnetosphere Sawtooth Oscillations Induced by Ionospheric Outflow

O. J. Brambles, W. Lotko, B. Zhang, M. Wiltberger, J. Lyon, R. J. Strangeway

Primero que nada, una disculpa por la tardanza en la publicación del resumen, tuve que resolver unos asuntos pendientes, para poder realizar la publicación. Sin más, he aquí el resumen de las mismas:

• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “El Erudito Thomas Young” en el cual nos ofrece un resumen sobre algunas de sus aportaciones más sobresalientes.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco (Quien dicho sea de paso, realizó una gran cantidad de publicaciones) nos trajo “El cianómetro mide el azul del cielo” en el que nos explican su historia y funcionamiento.
• Divulgación nos trajo “MarsLife” en el que se muestra un video para la construcción de “cohetes caseros” (No hacerlo sin la supervisión de un adulto).
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Antony Hewish cumple hoy 90 años”, en el que nos presentan un resumen de sus aportaciones.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Edme Mariotte, físico y botánico” en el que nos presentan un resumen de sus aportaciones.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Centenario del nacimiento de Antonia Ferrín Moreiras” en el que nos presentan un resumen de sus aportaciones y una extensa bibliografía para conocer más sobre su vida y obra.
• PiMedios La Aventura de las Matemáticas nos trajo el video “Analema” en el cual nos muestran la curva que describe la posición del sol.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Día Internacional de los Museos: la ciencia también te espera” en el cual nos presentan un listado de referencias acerca de diversos museos a nivel mundial.
• El Tao de la Física nos trajo el video “La katana contra la pistola 9 mm” en el cual podemos observar la manera en que una katana corta prácticamente por la mitad una bala disparada desde una pistola 9 mm.
• Curiosidades de la Microbiología nos trajo “Polizones del espacio” el cual nos habla acerca de la posible ‘exportación’ de microorganismos terrestres al vecino planeta rojo.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Día Mundial de la Metrología” el cual hace alusión a un aniversario más de la Convención del Metro, efectuada en Mayo 20, de 1875.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “William Gilbert, estudioso de imanes” en la cual nos hablan de su obra y aportaciones, además de proporcionarnos una extensa bibliografía para ampliar el breviario cultural sobre el tema.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “William Whewell, polímata” en la cual nos hablan de su obra y aportaciones, además de proporcionarnos una extensa bibliografía para ampliar el breviario cultural sobre el tema.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Pip, pip, pip, pip, pip, piiiiiiiiiip” en la cual nos hablan sobre las aportaciones de Sir Frank Watson Dyson.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Mary Taylor Slow (1898-1984)” en la cual nos hablan de su obra y aportaciones.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Milutin Milanković y la teoría matemática del clima” en la cual nos hablan de su obra y aportaciones, además de proporcionarnos una extensa bibliografía para ampliar el breviario cultural sobre el tema (¿Alguien dijo Glaciaciones?).
• MasScience Blog nos trajo «La luz del Sol. Expociencia 2014» en el que nos muestra un resumen del evento, acompañado de imágenes y explicaciones de las presentaciones que tuvieron lugar en el mismo.
• ZTFNews de La Facultad de Ciencia y Tecnología (ZTF-FCT) de la Universidad del País Vasco nos trajo “Los planetas de Gustav Holst”, la suite de siete movimientos compuesta entre 1914 y 1916, excelente pieza musical.
• Cosmos – El Universo nos trajo “Europa, Luna de Océanos”, en la cual nos presenta una excelente infografía sobre este satélite natural de Júpiter, así como referencias bibliográficas para poder ampliar el conocimiento al respecto.

Ahora hay que votar la mejor entrada en la página de Facebook del Carnaval de la Física.
Larga vida y prosperidad.

Esta entrada participa en la edición LII del Carnaval de la Física, hospedado esta ocasión aquí, en La Enciclopedia Galáctica.

El entendimiento de los procesos físicos fundamentales que rigen el nivel de dinámica del sistema ha avanzado en varios frentes en la última década. Se alcanzaron progresos considerables en la comprensión de cómo funciona la reconexión magnética. Las primeras predicciones cuantitativas de las firmas de flujo magnético y de plasma se confirmaron espectacularmente con las observaciones in situ. Del mismo modo, sofisticadas simulaciones cinéticas finalmente produjeron un entendimiento consistente de las firmas de la aparición de la reconexión magnética en la cola.

El incremento en la potencia de cálculo ha facilitado las simulaciones de física esencial y la estructura de la región de difusión, donde las líneas del campo magnético se reconectan y cambian su conectividad (Como se muestra en la siguiente imagen). Se demostró que en las pequeñas escalas espaciales donde se produce la reconexión, la disociación de iones y el movimiento de electrones como consecuencia de su diferente masa, juega un papel clave para facilitar la rápida tasa de reconexión vista en las observaciones. Los iones se desmagnetizan en una región mucho más grande que los electrones, lo cual cambia las fuerzas que aceleran las partículas, lejos de la línea X en comparación con la habitual descripción MHD (MagnetoHydroDynamic). Estas ideas llevaron a las predicciones que facilitaron la primera detección directa de la región de difusión de iones (Donde los iones se desacoplan del campo magnético) en la magnetósfera y en el laboratorio, así como destellos de la mucho más pequeña región de difusión de electrones (En donde los electrones se desacoplan del campo magnético). Las observaciones en la proximidad de la región de difusión revelaron sorprendentemente que la reconexión puede acelerar los electrones a cientos de kiloelectronvoltios, proporcionando potencialmente una población de “semillas” para la subsiguiente aceleración en la magnetosfera interior para formar los cinturones de radiación de electrones. También se hicieron descubrimientos en relación con la activación y la modulación de la reconexión. Alrededor del año 2000, los recursos computacionales tenían simulaciones limitadas a dos dimensiones espaciales. Las nuevas capacidades para llevar a cabo simulaciones totalmente tridimensionales revelaron que la dimensión añadida facilita el crecimiento de las inestabilidades del plasma que pueden romper la región de difusión, haciendo la reconexión altamente turbulenta.

Por observación, la reconexión parece comportarse de manera diferente en las distintas regiones. Aunque la reconexión en la cola magnética y en la capa exterior de la magnetósfera, donde se han identificado múltiples sitios de reconexión, parece ser transitoria y turbulenta, puede, en ocasiones, ser bastante estable en el tiempo y el espacio extendido en la magnetopausa diurna y el viento solar. La reconexión en la cola magnética produce ‘estallidos’ de estrechos canales de flujo de alta velocidad. Las observaciones de las múltiples sondas espaciales que estos canales de flujo de reconexión inician subtormentas magnetosféricas y conducen la convección de la Tierra hacia la cola magnética; sin embargo, pueden ser necesarios para completar el patrón de circulación magnetosférica mundial predicha hace cuatro décadas. Por último, los análisis observacionales se beneficiarán enormemente de la inclusión de los escenarios de reconexión más generales que el estándar, incluyendo geometrías más generales identificadas tanto en teorías como en simulaciones.

Las interacciones onda partícula (WPI – Wave-Particle Interactions) se han establecido como las principales gestores de la ganancia de energía de las partículas y la pérdida en los cinturones de radiación (Ver la siguiente imagen). La teoría de la inestabilidad del plasma, las simulaciones globales que incluyen los procesos WPI, y las observaciones de ondas han demostrado que la mezcla de plasmas energéticos y de baja energía llevan a inestabilidades distribuidas en el anillo actual y en el cinturón de radiación. Las observaciones por satélite de los electrones del cinturón de radiación demuestran que la aceleración local, debido a las WPI puede en ocasiones dominar la aceleración debida al transporte radial difuso. Los análisis estadísticos de las observaciones satelitales de las ondas, se utilizan para cuantificar las tasas de activación y dispersión. Los resultados han sido incorporados en los modelos dependientes del tiempo del anillo actual y de los cinturones de radiación. Los científicos saben ahora que la dinámica de partículas tormenta-tiempo, son el resultado de un equilibrio delicado entre la aceleración y la pérdida de partículas relativistas mediadas por las ondas producidas por la inestabilidad del plasma local.

Referencias

Basics of Magnetic Reconnection
Cory D. Schillaci

Magnetic Reconnection in Astrophysical and Laboratory Plasmas
Ellen G. Zweibel & Masaaki Yamada

Magnetic Reconnection – Basic Concepts I
Gunnar Hornig

Magnetic Reconnection And Coronal Temperatures
Miles Mathis

En esta ocasión, se tiene el honor y satisfacción de hospedar una nueva edición del Carnaval de la Física. La participación en el mismo, como podrán leer más adelante, es muy fácil.

El Carnaval de la Física se viene celebrando desde el año 2009, fecha en que fue creado por Carlo Ferri del Blog Gravedad cero y se celebra mensualmente, siendo acogido en cada edición por un Blog distinto que hace de anfitrión de esa edición.

Instrucciones para participar en el Carnaval de la Física:

1. Cualquier persona que quiera participar tiene que escribir una entrada en su propio Blog, haciendo mención expresa en la misma de su participación en el Carnaval. Algo así como «esta entrada participa en la Edición LII del Carnaval de la Física, hospedado en esta ocasión por La Enciclopedia Galáctica» y enlazar con el Blog anfitrión. A continuación deberán enviar un mensaje al anfitrión donde se incluya el enlace de la entrada participante. Según norma del Carnaval no vale dejar un comentario en Blog anfitrión, cualquier comunicación por este medio no se tendrá en cuenta a la hora de participar. Los medios de comunicación pueden ser vía Twitter o por medio de la página en Facebook.

Facebook: La Enciclopedia Galáctica
Twitter: @torjosagua

2. La fecha tope para comunicar la participación en el Carnaval es el día 25 de mayo y el día 26 o 27 (A más tardar) se publicará una entrada donde se hará un pequeño resumen de todas las participaciones. A medida que vayan enviando sus contribuciones, las iré recopilando en una entrada para que puedan ser leídas por todos, dado que a partir del día 30 se empezarán a votar las entradas para elegir al ganador de la edición, el cual «recibirá» como premio un trofeo virtual diseñado por Araceli Giménez, que les aseguro, está genial. Las normas de votación se publicarán el día 30.

3. Cada edición del Carnaval tiene un tema como hilo conductor aunque no es vinculante, esto es, son libres de escribir algo relacionado con el tema propuesto o no, siempre que sea un contenido relacionado con la Física claro está, además de observar las instrucciones del punto 4.
En esta ocasión el tema propuesto es el siguiente: Física Atómica.

4. Cada participante es libre de tratar cualquier tema (histórico, de contenido literario, artístico, etc.) que esté relacionado con la física. Asimismo, puesto que la intención del Carnaval de la Física no es hacer ciencia sino divulgarla, los blogueros que quieran hablar sobre nuevas teorías de la física o de la ciencia en general deberán haber superado al menos un proceso de revisión por pares (peer-review, en inglés) en una revista nacional o internacional reconocida por la comunidad científica internacional. La exposición de teorías propias no serán aceptadas.

Bueno, como pueden leer, es muy fácil participar en el Carnaval. Un saludo a todos y gracias!

El entendimiento de los procesos físicos fundamentales que rigen el nivel de dinámica del sistema ha avanzado en varios frentes en la última década. Se alcanzaron progresos considerables en la comprensión de cómo funciona la reconexión magnética. Las primeras predicciones cuantitativas de las firmas de flujo magnético y de plasma se confirmaron espectacularmente con las observaciones in situ. Del mismo modo, sofisticadas simulaciones cinéticas finalmente produjeron un entendimiento consistente de las firmas de la aparición de la reconexión magnética en la cola. 

El incremento en la potencia de cálculo ha facilitado las simulaciones de física esencial y la estructura de la región de difusión, donde las líneas del campo magnético se reconectan y cambian su conectividad (Como se muestra en la siguiente imagen). Se demostró que en las pequeñas escalas espaciales donde se produce la reconexión, la disociación de iones y el movimiento de electrones como consecuencia de su diferente masa, juega un papel clave para facilitar la rápida tasa de reconexión vista en las observaciones. Los iones se desmagnetizan en una región mucho más grande que los electrones, lo cual cambia las fuerzas que aceleran las partículas, lejos de la línea X en comparación con la habitual descripción MHD (MagnetoHydroDynamic). Estas ideas llevaron a las predicciones que facilitaron la primera detección directa de la región de difusión de iones (Donde los iones se desacoplan del campo magnético) en la magnetósfera y en el laboratorio, así como destellos de la mucho más pequeña región de difusión de electrones (En donde los electrones se desacoplan del campo magnético). Las observaciones en la proximidad de la región de difusión revelaron sorprendentemente que la reconexión puede acelerar los electrones a cientos de kiloelectronvoltios, proporcionando potencialmente una población de “semillas” para la subsiguiente aceleración en la magnetosfera interior para formar los cinturones de radiación de electrones. También se hicieron descubrimientos en relación con la activación y la modulación de la reconexión. Alrededor del año 2000, los recursos computacionales tenían simulaciones limitadas a dos dimensiones espaciales. Las nuevas capacidades para llevar a cabo simulaciones totalmente tridimensionales revelaron que la dimensión añadida facilita el crecimiento de las inestabilidades del plasma que pueden romper la región de difusión, haciendo la reconexión altamente turbulenta.

Por observación, la reconexión parece comportarse de manera diferente en las distintas regiones. Aunque la reconexión en la cola magnética y en la capa exterior de la magnetósfera, donde se han identificado múltiples sitios de reconexión, parece ser transitoria y turbulenta, puede, en ocasiones, ser bastante estable en el tiempo y el espacio extendido en la magnetopausa diurna y el viento solar. La reconexión en la cola magnética produce ‘estallidos’ de estrechos canales de flujo de alta velocidad. Las observaciones de las múltiples sondas espaciales que estos canales de flujo de reconexión inician subtormentas magnetosféricas y conducen la convección de la Tierra hacia la cola magnética; sin embargo, pueden ser necesarios para completar el patrón de circulación magnetosférica mundial predicha hace cuatro décadas. Por último, los análisis observacionales se beneficiarán enormemente de la inclusión de los escenarios de reconexión más generales que el estándar, incluyendo geometrías más generales identificadas tanto en teorías como en simulaciones.

Las interacciones onda partícula (WPI – Wave-Particle Interactions) se han establecido como las principales gestores de la ganancia de energía de las partículas    y la pérdida en los cinturones de radiación (Ver la siguiente imagen). La teoría de la inestabilidad del plasma, las simulaciones globales que incluyen los procesos WPI, y las observaciones de ondas han demostrado que la mezcla de plasmas energéticos y de baja energía llevan a inestabilidades distribuidas en el anillo actual y en el cinturón de radiación. Las observaciones por satélite de los electrones del cinturón de radiación demuestran que la aceleración local, debido a las WPI puede en ocasiones dominar la aceleración debida al transporte radial difuso. Los análisis estadísticos de las observaciones satelitales de las ondas, se utilizan para cuantificar las tasas de activación y dispersión. Los resultados han sido incorporados en los modelos dependientes del tiempo del anillo actual y de los cinturones de radiación. Los científicos saben ahora que la dinámica de partículas tormenta-tiempo son el resultado de un equilibrio delicado entre la aceleración y la pérdida de partículas relativistas mediadas por las ondas producidas por la inestabilidad del plasma local.

Referencias

Basics of Magnetic Reconnection // Cory D. Schillaci

Magnetic Reconnection in Astrophysical and Laboratory Plasmas // Ellen G. Zweibel & Masaaki Yamada

Magnetic Reconnection – Basic Concepts I // Gunnar Hornig

Magnetic Reconnection And Coronal Temperatures // Miles Mathis

MHD Turbulence // University of Delaware Website

Fundamentals of Magnetohydrodynamics (MHD) // Tony Arber

The Electron Radiation Belt // Xinlin Li, Michael A. Temerin 

Radiation Belts // Paul Bühler

Acceleration and loss of relativistic electrons during geomagnetic storm // G. D. Reeves, K. L. McAdams, R. H. W. Friedel, T. P. O’Brien

Magnetospheric Multiscale (MMS) Mission // NASA Website

Handbook on Plasma Instabilities // Ferdinand F. Cap

Basic Plasma Physics // A. A. Galeev & R. N. Sudan

A Plasma Instability Theory of Gamma-Ray Burst Emission // J. J. Brainerd

Formal Theory of MHD Stability: Energy Principle // Andrei N. Simako 

MHD Description of Plasma // Russell M. Kulsrud

Plasma instabilities // Dr Ben Dudson

La dinámica global de la magnetósfera es controlada por el cambio del componente norte-sur del campo magnético interplanetario (IMF – Interplanetary Magnetic Field), el cual impulsa la circulación global en la magnetósfera, tal como se ve en la siguiente figura. Los cambios en el IMF y la presión dinámica del viento solar producen tormentas, la iluminación de las auroras y gestiona una serie de otras respuestas globales.

Se utilizaron imágenes globales de las hasta ahora invisibles poblaciones de plasma de la magnetósfera para identificar su respuesta a gran escala para el variable y violento viento solar. La plasmasfera, que es la región de plasma denso y frío que co-rota con la Tierra, fue ‘fotografiado’ en el extremo ultravioleta (EUV). Las observaciones revelaron que las tormentas fuertes remueven la parte exterior de la plasmasfera en columnas, con convección al exterior de la magnetósfera diurna (Como se observa en la siguiente imagen):

Y se mapean para producir realces en la densidad ionosférica, tal como se muestra en la siguiente imagen:

El actual anillo ecuatorial magnetosférico es mayor durante las tormentas geomagnéticas, y esto perturba la fuerza del campo magnético en la superficie terrestre. La comprensión de su dinámica es crucial para el establecimiento de una capacidad predictiva de la respuesta geoespacial a las tormentas. Las inyecciones de iones al anillo actual se capturaron en imágenes por vez primera, estableciendo su configuración y composición. Los modelos numéricos y las imágenes globales ENA revelaron que el anillo actual es altamente asimétrico durante la fase principal de las tormentas, lo cual sugiere un fuerte acoplamiento con la ionosfera. El pico de la distribución de protones-anillo actual, durante la fase principal de las tormentas magnéticas demostró que ocurre consistentemente en la madrugada y no en la tarde, como se había esperado. Esto solo puede ocurrir si la retroalimentación de la ionosfera fundamentalmente altera el campo eléctrico que es responsable de la convección magnetosférica.

Referencias

Relationship of the Van Allen radiation belts to solar wind drivers.
M.K. Hudson, B.T. Kress, H.-R. Mueller, J.A. Zastrow, & J. Bernard Blake

Tomographic ENA Imaging from Low-Earth Orb
R. B. Sheldon, T. A. Fritz, & H. E. Spence

ENA imaging: seeing the invisible
Pontus C. Brandt et al

Global ENA Image Simulations
Fok, M.-C.; Moore et al.

Global Magnetospheric Dynamics of Jupiter and Saturn Revealed by ENA Imaging
P. C. Brandt, D. G. Mitchell, B. H. Mauk, C. P. Paranicas

Average Characteristics and Activity Dependence of the Subauroral Polarization Stream
J. C. Foster and H. B. Vo

High-Resolution Observations of Subauroral Polarization Stream-Related Field Structures During a Geomagnetic Storm Using Passive Radar
Melissa G. Meyer

Regional GPS Mapping of Storm Enhanced Density
Anthea Coster, John Foster, Phil Erickson, Frederick Rich.

Storm enhanced density: magnetic conjugacy effects
J. C. Foster and W. Rideout