La Terra è circondata da una barriera invisibile che si riteneva impedisse agli elettroni altamente energetici di avvicinarsi al nostro pianeta. Tuttavia, nel 2024, la sonda spaziale giapponese Arase ha rilevato tali elettroni ben all’interno di questa barriera. Una ricerca condotta dall’Università di Nagoya ha ora fornito prove del fatto che gli elettroni siano stati accelerati localmente, anziché provenire dalle fasce di radiazione esterne. Il campo magnetico terrestre intrappola particelle cariche ad alta energia – protoni ed elettroni – all’interno di due fasce a forma di ciambella, note come fasce di radiazione di Van Allen. Queste particelle possono potenzialmente danneggiare l’hardware e i componenti elettronici dei veicoli spaziali che attraversano tali fasce.
Al margine interno della seconda fascia di Van Allen, a una distanza di circa 3 raggi terrestri dal centro del pianeta, gli elettroni dotati di energie estremamente elevate sembrano scontrarsi con una sorta di parete invisibile e impenetrabile. Questa barriera è stata scoperta nel 2014 e la sua origine non è ancora del tutto chiara. Una possibile spiegazione risiede in un fenomeno noto come “sibilo plasmasferico” (plasmaspheric hiss): onde radio a bassa frequenza presenti nella magnetosfera terrestre che, se riprodotte tramite un altoparlante, generano un rumore simile a un fruscio statico. Anche le trasmissioni radio a frequenza molto bassa (VLF) di origine umana, utilizzate per comunicare con i sottomarini, potrebbero contribuire a definire questo confine, disperdendo gli elettroni delle fasce di radiazione verso l’atmosfera terrestre.
Una supertempesta mette alla prova la barriera
In condizioni normali, questa regione dello spazio è priva di elettroni che si muovono a velocità estremamente elevate. Tuttavia, le condizioni meteorologiche spaziali possono essere tanto instabili quanto quelle che sperimentiamo sul nostro pianeta. Nel maggio 2024, un’intensa attività solare ha scatenato una “supertempesta” geomagnetica sulla Terra, con l’aurora boreale spinta verso latitudini insolite. Durante e dopo questo evento, la sonda spaziale giapponese Arase, gestita dalla JAXA, ha raccolto dati proprio all’interno della barriera impenetrabile.
I risultati hanno confermato la presenza di un flusso consistente di elettroni ad alta energia, che si muovevano a velocità prossime a quella della luce. Alcuni di questi elettroni presentavano energie superiori ai tre megaelettronvolt (MeV), un valore sufficiente a penetrare alcune delle schermature dei satelliti. La cosiddetta barriera impenetrabile è parsa essere stata infranta.
I ricercatori hanno cercato possibili spiegazioni. “Una delle questioni chiave era come questi elettroni ad alta energia fossero comparsi all’interno della barriera”, ha affermato Yoshizumi Miyoshi, professore presso l’Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE) dell’Università di Nagoya e autore principale dello studio. “Sono stati trasportati verso l’interno dalla fascia di radiazione esterna, oppure sono stati accelerati localmente all’interno di questa regione?”.
Le prove indicano un’accelerazione locale
Il primo indizio è emerso dall’analisi della densità nello spazio delle fasi (PSD, Phase Space Density) degli elettroni, una grandezza che descrive come gli elettroni siano distribuiti in base alla loro energia e al loro moto. Utilizzando le misurazioni raccolte durante diverse orbite della sonda Arase, i ricercatori hanno esaminato come la PSD variasse in funzione della distanza dalla Terra, tenendo conto dei cambiamenti nel moto degli elettroni. Hanno scoperto che, in prossimità del confine abituale della barriera, si è formato un distinto picco locale di PSD, che si è intensificato nel tempo. L’emergere di un tale picco suggerisce che gli elettroni abbiano acquisito energia localmente, anziché essere stati semplicemente trasportati verso l’interno dalla fascia di radiazione esterna.
Ma cosa ha dato loro questa spinta? La sonda Arase ha rilevato anche intense onde elettromagnetiche la cui frequenza aumentava rapidamente nel tempo. “Se convertite in segnali audio, ricordano il canto di un uccello“, ha spiegato Miyoshi. Queste onde, note come “onde chorus”, sono onde elettromagnetiche naturali a bassa frequenza che si propagano attraverso il campo magnetico terrestre. Tali onde possono trasferire energia agli elettroni quando le loro oscillazioni entrano in risonanza con il moto a spirale degli elettroni attorno alle linee del campo magnetico.
La riduzione del plasma ha favorito le condizioni per l’accelerazione
Il loro effetto è stato particolarmente marcato nel maggio 2024, poiché una tempesta aveva drasticamente eroso la plasmasfera terrestre, una regione ricca di particelle cariche relativamente fredde. Il confine esterno della plasmasfera si è ritirato in modo insolito verso la Terra, lasciando la zona attorno alla barriera – in precedenza ritenuta impenetrabile – con una densità di plasma molto inferiore. Ciò ha permesso agli elettroni più energetici di spingersi più all’interno e di generare le onde chorus.
Inoltre, la densità del plasma non si è ripristinata rapidamente. “Di norma, la plasmasfera si rigenera in un arco di tempo di circa due giorni”, ha osservato Miyoshi. “Durante la supertempesta del maggio 2024, tuttavia, nella regione osservata sono stati necessari circa 4,3-4,7 giorni affinché la densità del plasma tornasse a superare la metà del suo livello pre-tempesta. Questo recupero insolitamente lento ha fatto sì che le condizioni di bassa densità del plasma persistessero per diversi giorni, creando potenzialmente un contesto favorevole all’attività delle onde “chorus” e alla continua accelerazione di elettroni energetici all’interno di quella che in precedenza era una barriera impenetrabile”.
Rischi legati alle radiazioni in regioni apparentemente protette
Miyoshi ha affermato che questi risultati, pubblicati sulla rivista Geophysical Research Letters, dimostrano come anche le regioni dello spazio vicino alla Terra – in precedenza considerate relativamente protette dagli elettroni estremamente energetici – possano essere soggette a un notevole aumento delle radiazioni durante eventi meteorologici spaziali di forte intensità. “Questa scoperta sottolinea la necessità di comprendere e prevedere il comportamento degli elettroni energetici in condizioni meteorologiche spaziali estreme”, ha dichiarato Miyoshi. “Tali conoscenze sono fondamentali per valutare i rischi di radiazione per i veicoli spaziali e per migliorare le future previsioni sugli eventi meteorologici nello spazio”. I risultati offrono inoltre nuove prospettive su come la magnetosfera terrestre risponda a un’attività solare estrema, evidenziando l’importanza di un monitoraggio costante dell’ambiente spaziale in prossimità della Terra.
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