Científicos explican el misterio de las turbulencias observadas en las fluctuaciones de densidad en el espacio interplanetario

Cumulo galactico

De la crema en el café a las fluctuaciones de densidad en el espacio.

Científicos de la Universidad de Alabama en Huntsville han desarrollado un modelo de simulación tridimensional para comprender el comportamiento en el espacio de las partículas interplanetarias cargadas.

Los profesores de física Dastgeer Shaikh y Gary Zank del Centro de Investigación de Plasma Espacial y Aeronómica y del Departamento de Física de la Universidad dicen que el modelo explica cómo la densidad de las partículas interplanetarias varía con el tiempo y el espacio. Notablemente, la distribución de tamaños de escala de las fluctuaciones de densidad se observa que satisface una ley universal conocida como espectro de Kolmogorov.

Los investigadores apuntan que el espacio interplanetario que rodea la Tierra está lleno de partículas cargadas y sin carga que se mueven aleatoriamente. Estas partículas se originan básicamente a partir de estrellas como nuestro Sol u otras estrellas cercanas y son aceleradas a través del espacio interplanetario. Éstas son verdaderas “micro-sondas” que nos dicen la distancia, composición y muchos aspectos importantes de los objetos cosmológicamente lejanos tales como estrellas vecinas, galaxias y nubes astrofísicas masivas.

“A partir del comportamiento de estas partículas en el espacio, es posible conocer la extensión del universo físico”, explican. “Proporcionamos una explicación más simple a por qué la densidad de partículas debería seguir un espectro de Kolmogorov. El espacio interplanetario es como el agua o el aire que nos rodea. Las partículas cargadas están vinculadas a la cuerda sin masa de las líneas de campo magnético y cambian de sitio a menudo en el agua de forma aleatoria. Algo similar a la “crema en una taza de café” o a las partículas de los polvos de talco esparcidas por una superficie o agitadas en agua que llevan a las partículas de polvo junto con el flujo del agua. Encontramos que estas partículas siguen un espectro de Kolmogorov. Estamos tratando de entender su movimiento estadísticamente”.

La nave Voyager 2 de la NASA, surcando el espacio exterior desde hace casi 30 años, ha rastreado la densidad de partículas interplanetarias desde nuestro Sol a una distancia de 100 veces la de la Tierra al Sol. Esto es 150 millones de kilómetros multiplicado por 100. “Se encontró que la densidad de partículas varía con la distancia en un espectro de Kolmogorov. Pero uno de los mayores obstáculos en la comprensión de este espectro es la turbulencia interplanetaria que hace que la trayectoria de las partículas sea aleatoria en el espacio y el tiempo”, dicen los científicos.

El esfuerzo teórico original tras este modelo fue establecido a principio de la década de 1990 por el Dr. Zank, quien había propuesto una “hipótesis verdaderamente sorprendente” que relacionaba la densidad con la velocidad de estas partículas turbulentas, de acuerdo con el Dr. Shaikh. “Nos llevó casi 20 años darnos cuenta computacionalmente de la verdad tras el modelo de Zank. Ejecutamos nuestro modelo de mayor resolución en el supercomputador de San Diego (256 procesadores) para llegar a esta conclusión. Nuestro modelo es también consistente con las observaciones de Voyager”.

Los Drs. Zank y Shaikh dijeron que es importante saber el comportamiento estadístico correcto de la densidad de partículas interplanetarias. “Algunas de estas técnicas (como la ampliación angular) están basados en las variaciones de densidad para medir la distancia de obsetos estelares desde la Tierra. Unas medidas precisas de la densidad de campo son precisas para determinar la posición, edad y composición exactas de los cuerpos estelares”, comentan.

Su investigación aparecerá en el ejemplar de noviembre de la revista de la Royal Astronomical Society.


Autor: Ray Garner
Fecha Original: 22 de octubre de2009
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Comment (1)

  1. Leo con interés el artículo, y, sin saber por qué, me viene a la mente lo que se conoce como burbuja local, una región de baja densidad (aproximadamente 0,07 átomos/cm3) de materia interestelar que rodea el Sistema Solar. La burbuja tiene aproximadamente 100 pc de radio y contioene a las estrellas de la vecindad inmediata del Sol. El Sistema Solar parece encontrarse a unos 10-20 pc del borde de la burbuja. La baja densidad de gas en la burbuja local puede deberse a una onda de choque de una antigua supernova que barrió esta región.

    Comento todo esto en relación a lo que arriba he leido sobre el espectro de turbulencia interplanetaria y sobre el hecho de que las trayectorias de las partículas sean aleatorias en el espacio y en el tiempo, y, por otra parte, tal comportamiento es básicamente natural, ya que, si nos referimos a regiones locales, cada una de ellas tiene sus propios parámetros de comportamiento en función de lo que allí esté presente, ya que, no se pueden comportar de la misma maenra unas partículas cuyas trayectorias son tranquilas y exentas de intereracciones externas que aquellas otras que, influídas por fuertes vientos solares (por ejemplo), se ven ionizadas y lanzadas a grandes velocidades en una u otra dirección.

    Toda esta lectura me trae a la mente el hechod e que Einstein escribió un artículo sobre la hipótesis cuántica que es un ejemplo sorprendente de su estilo, que mezcla la crítica de viejos conceptos con la búsqueda de otros nuevos. Él investigó las regiones de alta frecuencia, donde la distribución obtenida clásicamente falla de la forma más espectacular. Demostró que en esta región, llamada límite de Wien, la entropía de la radiación monocromática con una temperatura dada depende de su volumen exactamente de la misma forma que lo hace la entropía de un gas ordinario compuesto de partículas estadísticamente independientes.

    En resumen, la radiación monocromática en el límite de Wien se comporta termodinámicamente como si estuviera compuesta de cuantos de energía estadísticamente independientes. Para obtener este resultado, Einstein tuvo que suponer que cada cuanto tiene una energía proporcional a su frecuencia.

    Animado por este resultado dio, el paso final proponiendo su hipótesis “muy revolucionaria” de que la materia y la radiación puede interaccionar sólo a través del intercambio de tales cuantos de energía. Demostró que esta hipótesis explica varios fenómenos aparentemente dispares, en especial el efecto fotoeléctrico y, precisamente, fue ese trabajo el que le valió el Nobel en 1921.

    El ejemplo anterior, aunque parece no estar conectado al comentario que tratamos viene a dejarnos una demostración de como, siempre hemos buscado la explicación de los fenómenos de la Naturaleza que no podemos comprender y, el artículo que hoy comentamos también tiene sus conexiones con ese otro trabajo de Einstein que nos hablaba del movimiento briwniano donde exploraba la estructura de la radiación electromagnética.

    Aplicó su teoría del movimiento browniano a un espejo de dos caras inmerso en radiación térmica. Demostró que el espejo sería incapaz de ejecutar tal movimiento browniano indefinidamente si las fluctuaciones de la presión de radiación sobre sus superficies fueran debidas únicamente a los efectos de onda aleatorias, como predice la teoría de Maxwell. Sólo la existencia de un término adicional, correspondiente a las fluctuaciones de presión debidas al impacto de partículas aleatorias sobre el espejo, garantiza su continuo movimiento browniano.

    Einstein demostró que ambos términos de fluctuaciones de energía, debidos a ondas y partículas, son consecuencia de la ley de distribución de Planck para la radiación de cuerpo negro, y, consideró este resultado como su argumento más poderoso para atribuir realidad física a los cuantos de luz.

    Todo esto, aunque no lo parezca, está relacionado con el artículo que aquí nos exponen hoy, y, tampoco dejaría de lado las reglas de la termodinámica en presencia de cuerpos que, de una u otra manera, emiten radiación que influyen de manera cierta en las partículas presentes en el espacio interestelar y que, con sus comportamientos, pueden llegar a transformar los entornos tanto en densidad como en energía.

    Me gustaría seguir profundizando hasta llegar al final que me propuse al comenzar el comentario pero, se me ha hecho tarde y mi trabajo me espera. Si puedo lo remataré más tarde y si no es así…al menos os hice pensar.

    Un saludo amigos.

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