Júpiter, el acelerador de partículas

03/07/2016 5 comentarios
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"Bienvenidos a Júpiter, el acelerador de partículas más grande del Sistema Solar".  Así debería rezar un hipotético anuncio de bienvenida para la sonda interplanetaria Juno, que en días recientes ingresó a los dominios electromagnéticos del gigante. Hoy, 3 de Julio de 2016, un día antes del histórico arrivo de Juno a su destino alrededor del planeta, repasamos algunos hechos sorprendentes sobre la invisible envoltura de campos, radiación y partículas que rodean permanentemente al gigante del sistema solar.

La sonda Juno esta hoy adentro de la estructura física más grande del Sistema Solar: la magnetosfera de Júpiter.  Con un volumen cientos de veces mayor que el del mismo Sol y una elongada cola que se etiende desde las vecindades de Júpiter hasta más allá de la órbita de Saturno, este complejo enredajo de campos electromagnéticos, radiación y plasma, es un monstruo invisible que mantiene atrapados átomos ionizados y electrones que se desprenden de la atmósfera del planeta y de sus lunas.  Estas partículas son aceleradas hasta alcanzar a veces velocidades cercanas a las de la luz, creando en el proceso el acelerador de partículas más grande del Sistema Solar.

Arriba: el acelerador de partículas más grande del sistema solar (la magnetosfera de Júpiter).  Abajo: el más poderoso acelerado de partículas en los dominios del sol (el LHC de la Tierra). No sabe uno si sorprenderse mas por las dimensiones de aquel que es creado por la naturaleza alrededor de Júpiter o por la potencia de uno desarrollado por la civilización inteligente que habita la superficie de uno de los planetas enanos del sistema solar.  Crédito de la imagen arriba: NASA Goddard.

Si bien nuestro LHC (Large Hadron Collider) sigue ostentando el record de ser la máquina en el sistema solar capaz de acelerar partículas a la mayor velocidad (algunos protones dentro de sus anillos se quedan cortos por tan solo 10 km/h de alcanzar al velocidad de la luz), su volumen y masa son infinitesimales comparados con el acelerador de partículas más grande del sistema solar.

Pero el acelerador de partículas alrededor de Júpiter no es un milagro de la naturaleza.  En realidad cualquier planeta de su tamaño y composición localizado en las vecindades de una estrella relativamente activa, desarrollará tarde o temprano un acelerador como el visto alrededor del gigante.  No hay que ir muy lejos.  La Tierra tiene su propio acelerador (o deberíamos decir más bien su propio contenedor de partículas de alta energía) conocido como los cinturones de Van Allen. Satélites y astronautas por igual lo han visitado, a veces sin querer queriendo.

Ahora que Juno se zambullirá en este acelerador para estudiarlo, echemos un vistazo rápido a algunas de las características más sorprendentes de este monstruo invisible.

La imponente magnetosfera de Júpiter que encierra el más grande acelerador de partículas del Sistema Solar.  Las líneas blancas muestran las invisibles líneas del campo magnético del planeta, deformadas por efecto del viento solar y de gases cargados provenientes de la atmósfera del planeta y de la luna Io.  Los volcanes de esta última crean una dona de partículas (nube amarilla) que rodea al planeta como un hula-hula.  Se muestran también las órbitas de las Lunas Galileanas.  Todo esta a escala excepto el tamaño de las Lunas.  Crédito: Max Planck Institute.

La magnetosfera de Júpiter es creada por la interacción entre el campo magnético de Júpiter (si, Júpiter es un inmenso imán como la Tierra) y la catarata de partículas y campos magnéticos que fluyen permanentemente desde el Sol y que llamamos el viento Solar.

El viento solar viaja libremente por el casi vacío interplanetario a velocidades que superan aquellas a las que viajaría cualquier onda en este enrarecido medio.  Al acercarse a Júpiter, y a cualquier planeta con un campo magnético (incluyendo la Tierra), el viento, que esta formado por partículas cargadas de electricidad (principalmente protones y electrones) se encuentra con un obstáculo inesperado y se frena subitamente como lo haría el agua al encontrar una piedra en el cauce de una quebrada.

Como lo hace el agua el en movimiento al encontrar de súbito un obstáculo, el viento solar y los campos que él transporta, se arremolinan alrededor del campo magnético de Júpiter creando una región de turbulencia conocida como la "vaina magnética" (o magnetosheath para el gringo).  El paso de Juno por esta "cascara" de espuma magnética, quedo registrado por los instrumentos a bordo de la nave el pasado 24 de Junio (ver imagen abajo) y marco la llegada de la sonda al primer "anillo de seguridad" del planeta. 

Júpiter le da la bienvenida a Juno a su poderosa magnetósfera.  En el gráfico se muestra la intensidad de campos eléctricos oscilantes (codificada en color, donde rojo son ondas eléctricas más intensas) alrededor de la nave durante su viaje hacia Júpiter, y el cambio que sufre la frecuencia de esas ondas cuando se aproxima al planeta. La característica más notoria es el cambio repentino de frecuencia que se produce a una distancia de aproximadamente 128 veces el radio de Júpiter, cuando la nave ingresa en una zona turbulenta del campo magnético del planeta conocida como la magnetosheath, justo la parte más exterior de la envoltura magnética de Júpiter.  Créditos: NASA/JPL, Waves Instrument, University of Iowa

Adentro de la "cáscara" reina un caos magnético.  Una brújula apuntaría en todas direcciones sin decidirse por dónde esta el polo del planeta o el del Sol.  700,000 kilómetros más adentro, sin embargo, las cosas cambian nuevamente.  Es allí donde comienza el acelerador.  

En una inmensa superficie con forma de gota alargada y aproximadamente 100 veces más grande que el planeta mismo, corrientes eléctrica transportadas por electrones que una vez pertenecieron al Sol y otros que vivían en las lunas de Júpiter, marcan la frontera, invisible al ojo humano, entre el exterior del campo magnético de Júpiter y su interior.  Los científicos llaman a esta frontera la magnetopausa.  

Adentro de la magnetopausa las brújulas no tienen ninguna duda: todas apuntan en la dirección de los polos de Júpiter.  Atrás quedo el viento solar y los dominios electromagnéticos del Sol.  Bienvenidos al reino de Júpiter.

Una imagen similar a la anterior pero esta vez mostrando ondas eléctricas atrapadas dentro de la magnetosfera de Júpiter.  La flecha indica justamente el borde de esa burbuja magnética que todos los planetas gigantes como él crean a su alrededor, aislando su entorno del rio de partìculas y campos a su alrededor producidos por el Sol.  Al límite interno de esa burbuja se lo llama la magnetopausa. Créditos: NASA/JPL, Waves Instrument, University of Iowa

Casi todas las naves que han visitado a Júpiter, desde los setenteros Pioneers hasta la más reciente New Horizons, se han aventurado adentro de la magnétosfera de Júpiter, traspasando, así sea por unas horas o días, las barreras invisibles descritas arriba.  Juno, sin embargo, se atreverá a penetrar y permanecer por meses cerca a lugares donde otras apenas si se han asomado: los peligrosos cinturones de radiación.  

Es en esas regiones de la magnetosfera de Júpiter donde ocurre la verdadera acción en este gigantesco acelerador de partículas.  Para usar una analogía, lo que hará Juno es comparable a lo que haría un atrevido técnico al meterse a los túneles del LHC, cerca de donde están los monstruosos detectores ATLAS o CMS, mientras el acelerador esta prendido a toda máquina; en su lugar, Cassini y New Horizons apenas si permanecieon en el parqueadero afuera del edificio de visitantes, cuando el acelerador de partículas estaba apagado.

La órbita de Juno esta diseñada para que evite en la medida de las posibilidades las zonas más peligrosas de los cinturones de radiación que lo rodean.  Aún así estará más cerca de esos cinturones de radiación y más tiempo como no lo ha estado ninguna sonda.  En la animación abajo se muestra la relación entre la órbita de la sonda y los dinámicos cinturones.  Crédito: NASA/JPL/Caltech.

Los cinturones de radiación son enormes donas hechas de plasma (gases electrizados) alimentados por materia que una vez fue expulsada por volcanes de Io o acelerada hacia afuera desde la parte más alta de la atmósfera de Júpiter.  Campos eléctricos monstruosos, ondas magnéticas super energéticas (ondas de Alfven para los más ñoños), sumados estos al efecto de honda que crea la rápida rotación del planeta, aceleran las partículas allí adentro hasta velocidades muy grandes.  Los astrofísicos miden la energía de las partículas en estas condiciones en mega electronvoltios (MeV).  

Para hacerse a una idea de cuánto es 1 MeV, un electrón acelerado en una lámpara fluorescente de una oficina tiene una energía cercana a 0.001 MeV.  Los rayos X con los que ven el interior de nuestros cuerpos alcanza 0.01 MeV.  Rayos gama nocivos emitidos por sustancias radiactivas tienen tan solo 1 MeV.  Las partículas aceleradas dentro de los cinturones de radiación de Júpiter pueden alcanzar los 50-100 MeV.  Pero esta es apenas la energía que tienen los protones en la primera fase del LHC; al alcanzar su máxima velocidad la energía de los protones en el acelerador enano llega a ser tan grande como ¡8 millones de MeV!.

Sin embargo, a diferencia del LHC, en el que se aceleran unos pocos miligramos de protones a altísimas energías, en los cinturones de radiación de Júpiter hay miles de toneladas de plasma girando continuamente.  Miles de kilogramos de estas partículas bombardean la superficie de las lunas que tienen la mala suerte de estar allí, pero también de las naves que se atreven a zambullirse en medio de la acción.

Se cálcula que si una nave con astronautas se aventurará adentro del acelerador de partículas natural alrededor de Júpiter, sin usar para ello ninguna protección diferente de las delgadas paredes de aluminio de las sondas tripuladas, cada astronauta recibiría una dosis de radiación 1,000 veces mayor que aquella que es considerada mortal.  ¡Un suicidio muy elegante!.  

Aunque estamos lejos de ver humanos llegando a Júpiter, la ciencia ficción lleva años soñando con ello (ver imagenes abajo).  Lamentablemente el riesgo de la radiación al interior de la magnetosfera del planeta, ha sido o bien minimizado o a veces obviado completamente. 

La ciencia ficción ha imaginado la llegada de naves tripuladas a las cercanías de Júpiter y sus lunas, peligrosamente cerca de los cinturones de radiación.  Arriba: imagen del clásico de ciencia ficción, 2010, secuela de 2001: una Odisea Espacial; en la película se muestra incluso una caminata espacial sobre la superficie de Io.  Abajo: imagen de la reciente película Europa Report.  En esta se trata con mayor precisión el tema de la protección contra la radiación en la superficie de la expuesta luna

Pero, si la magnetósfera de Júpiter con sus campos y partículas, es invisible a las cámaras, los ojos o el telescopio, ¿cómo sabemos en primer lugar que esta ahí?. Mucho antes que llegaran las primeras sondas robóticas y experimentaran la lluvia de partículas que afecta a todo lo que se acerca al planeta, la existencia de un monumental campo magnético lleno de plasma acelerado a altas velocidades había sido deducida por las copiosas ondas de radio provenientes del planeta gigante.  Júpiter, para ponerlo en pocas palabras, es la segunda estación de radio más poderosa del Sistema Solar (la primera es el Sol).  A diferencia de nuestra estrella, la fuente de buena parte de las ondas de radio de Júpiter, especialmente las más largas, son electrones obligados a describir complejos bucles en el campo magnético del planeta.  La intensidad y la frecuencia de esas ondas de radio dan una idea a la distancia de lo que podríamos esperar.

Los aceleradores de partículas en la Tierra también emiten ondas electromagnéticas: radio, luz visible y hasta rayos X.  Sin embargo estas ondas se mantienen confinadas por que pueden ser peligrosas para los científicos que los operan.  Pero es precisamente por esta razón que a la radiación proveniente de la magnetósfera de Júpiter se le da el nombre de "radiación sincrotrón" y "radiación ciclotrón", dos de los tipos de aceleradores de partículas que contruimos en la Tierra.

De modo que mañana, cuando su amigo radioaficionado le sintonice a Júpiter, recuerde que esta recibiendo la emisora del acelerador de partículas más grande del sistema solar.

Existe una forma más fascinante de "ver" las partículas atrapadas en la magnetosfera de Júpiter.  Cerca a los polos del planeta las líneas de fuerza del campo magnético penetran en la atmósfera.  Partículas de los cinturones de radiación y otras simplemente capturadas en su trampa magnética, son "enfocadas" por estas líneas y términan chocando contra la atmósfera.  El resultado: las auroras polares más visosas del Sistema solar.  Si le parecen espectaculares las auroras de la Tierra, posiblemente perdería la razón en presencia de las auroras de júpiter, 100 veces más intensas que las primeras.

Las auroras de Júpiter son alimentadas casi exclusivamente por plasma acelerado en su campo magnético (a diferencia de las de la Tierra que son el producto en su mayoría de partículas del viento solar que se cuelan en eventos de reconexión magnética).  Esto convierte a la atmósfera de Júpiter cerca a los polos en detectores de partículas naturales; los "ATLAS" y "CMS" del sistema joviano.

Además de estudiar la emisión en ondas de radio de los electrones atrapados en la magnetósfera de Júpiter y fotografiar sus espectaculares auroras polares, Juno lleva a bordo sus propios detectores de partículas para estudiar la cavidad magnética del gigante (ver imagen abajo). Con este detector, espera resolver algunas preguntas abiertas relacionadas con la naturaleza, estructura y dinámica del ambiente magnético alrededor de Júpiter: ¿cómo son aceleradas las partículas exactamente? ¿que fracción del plasma viene en realidad de la atmósfera del planeta? ¿son nuestros modelos  y expectativa del campo magnético y los cinturones de radiación acertados? (lo que sabemos se basa en algunos sobrevuelos rapidos de naves en el pasado, especialmente de la sonda Galileo).

Los JEDIs que acompañan a Juno en su arriesgada misión dentro de las zonas de radiación de Júpiter. A pesar de su clara alusión a los maestros de la fuerza de Star Wars, JEDI es el Jupiter Energetic particle Detector Instrument.  Crédito: NASA/JHP.

Como sucedió reciente con la New Horizons todos esperamos que sea mayor el número de sorpresas que revelen las investigaciones de Juno sobre el campo magnético de Júpiter, que las evidencias confirmatorias de aquello que ya sabemos.

Las apuestas están sobre la mesa. ¡Sorpréndenos Júpiter!

Para saber más:

  • Bolton, Scott J., et al. "Jupiter’s Magnetosphere: Plasma Sources and Transport." Space Science Reviews 192.1-4 (2015): 209-236.
    Un completo artículo de revisión sobre el ambiente electromagnético de Júpiter. Descargar en pdf.
  • Bagenal, Fran, et al. "Magnetospheric science objectives of the Juno mission." Space Science Reviews (2014): 1-69.
    El más completo artículo de revisión sobre la magnetósfera de Júpiter en preparación para la misión Juno.
  • Heller, René, and Jorge I. Zuluaga. "Magnetic shielding of exomoons beyond the circumplanetary habitable edge." The Astrophysical Journal Letters 776.2 (2013): L33.
    Artículo explorando la posible relación que tendrían las lunas de exoplanetas gigantes con las magnetósferas de estos últimos.
  • http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design
    Un excelente y muy completo artículo sobre la misión Juno, desde su lanzamiento hasta la ciencia que estará realizando cerca al planeta gigante. Visitado: Julio 3 de 2016.