Pesquisadores no Japão estão recrutando um exército de cidadãos para explorar como as tempestades na Terra criam explosões extremas de radiação.
No topo da Kanazawa Izumigaoka High School, o vento açoita os pesquisadores Teruaki Enoto e Yuuki Wada enquanto eles lutam com um instrumento quadrado, tentando prendê-lo no telhado. Um cata-vento próximo balança ameaçadoramente e nuvens se acumulam sobre montanhas distantes, todos os sinais da tempestade se formando na direção do Mar do Japão. Este é exatamente o tipo de clima que Wada e Enoto esperam. O dispositivo que eles estão instalando espiará tempestades à medida que expelem radiação gama – um processo misterioso que os físicos estão ansiosos para entender.
Como a radiação eletromagnética de mais alta energia no Universo, os raios gama normalmente vêm de muito longe – de buracos negros, supernovas e outros ambientes cósmicos extremos. Freqüentemente, são criados por ondas de elétrons que viajam perto da velocidade da luz. Mas nas décadas de 1980 e 1990, os físicos descobriram que as nuvens na Terra também emitem raios gama invisíveis: como rajadas curtas e intensas de milissegundos e brilhos mais fracos e duradouros. De alguma forma, certas tempestades aceleram bilhões de elétrons para se aproximarem da velocidade da luz para produzir esses raios gama. “O mistério é como isso pode ocorrer na atmosfera da Terra”, diz Wada, um físico da Equipe de Pesquisa de Fenômenos Naturais Extremos RIKEN Hakubi em Saitama, Japão.
Essa pergunta o levou a um telhado em uma tempestade crescente. Os físicos querem não apenas entender esse processo de alta energia, mas também usar a radiação como uma nova lente para estudar algumas questões fundamentais sobre tempestades. Há até esperança de que os raios gama possam ajudar os cientistas atmosféricos a lançar luz sobre a questão secular sobre o que inicia os raios.
Mas capturar esses raios intensos não é fácil. Embora os satélites tenham detectado milhares de flashes de raios gama terrestres (TGFs) de milissegundos, essas medições não podem fornecer uma visão próxima o suficiente para revelar em detalhes o mecanismo que os produz. Estudar TGFs da Terra já se provou difícil, e os cientistas observaram brilhos mais duradouros em apenas alguns locais.
Kanazawa é um dos melhores lugares para capturar brilhos e flashes. Localizada no lado noroeste da ilha de Honshu, no centro do Japão, a cidade regularmente vê fortes nuvens de tempestade que chegam da Sibéria durante o inverno e pairam a menos de 1 quilômetro acima do solo. Como as nuvens são muito baixas, a radiação emitida pela tempestade pode atingir o solo, em vez de ser absorvida pela atmosfera.
O grupo, liderado no laboratório RIKEN Hakubi por Enoto, um astrofísico, está progredindo rapidamente na compreensão desses fenômenos de alta energia, diz Joseph Dwyer, físico atmosférico da Universidade de New Hampshire em Durham. “Esses são alguns dos melhores pesquisadores do mundo nessa área”, afirma.
Em todo o mundo, vários grupos baseados em terra estão agora olhando para os raios gama das tempestades, incluindo equipes em grandes instalações projetadas para observar partículas de alta energia do espaço sideral. Mas, usando uma rede de detectores, a pequena equipe japonesa tem sido uma das mais bem-sucedidas do mundo em detectar os fenômenos – conseguindo, com um orçamento apertado, detectar dez TGFs e dezenas de brilhos desde 2015.
Wada e Enoto têm grandes planos para sua iniciativa, conhecida como Projeto Thundercloud. Eles agora estão expandindo seu trabalho com a ajuda de cidadãos japoneses. Este ano, a equipe criará uma rede de cerca de 50 detectores em escolas, templos e residências que lhes permitirá captar mais raios gama, mapear os eventos e acompanhá-los ao longo de seu ciclo de vida, algo que nunca foi tentado antes. No Japão, o projeto é uma das primeiras tentativas da física de aproveitar os resultados da pesquisa por meio da ciência cidadã, diz Yuko Ikkatai, membro da iniciativa e pesquisadora em comunicação científica do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo em Kashiwa .
Os pesquisadores esperam colocar centenas de detectores de pequena escala pela cidade. Concentrar seus esforços em Kanazawa foi uma aposta, diz Enoto, mas que já está começando a dar frutos. “Agora, estou feliz”, diz ele.
Flashes ocultos
Os cientistas viram pela primeira vez brilhos de raios gama vindos da Terra em 1985, quando um jato da NASA carregando detectores de radiação correu através de uma tempestade. Ele captou emissões fracas emanando das nuvens antes de um relâmpago. Então, em 1994, uma sonda projetada para estudar o cosmos, o Compton Gamma Ray Observatory, da NASA, detectou TGFs vindos de nuvens de tempestade – explosões muito mais brilhantes de raios gama que duram apenas centenas de microssegundos. Foi uma surpresa, diz Dwyer, porque as explosões originaram-se “do único lugar no Universo de que todos sabiam que nenhum raio gama deveria vir” – a Terra.
Em outras partes do Universo, em ambientes energéticos como em torno de buracos negros, feixes de partículas carregadas são acelerados para se aproximarem da velocidade da luz e produzir raios gama quando as partículas colidem com gás e poeira. Na Terra, os pesquisadores agora pensam que algo semelhante acontece em certos tipos de nuvem de tempestade, em que fortes campos elétricos aceleram os elétrons a velocidades extremas. Mas os físicos não sabem quão grandes ou intensos os campos elétricos precisam ser para gerar raios gama – nem como contabilizar o grande número de elétrons que uma tempestade precisaria para fazer um TGF. “É uma questão profunda no momento”, diz Enoto.
Observações por satélites, que detectam rotineiramente TGFs viajando em direção ao espaço, sugerem que os flashes ocorrem junto com quedas de raios. Cerca de 1 em cada 1.000 ataques cria um TGF, o que significa que milhares de flashes ocorrem em todo o planeta todos os dias. Mas os satélites estão muito longe da ação para fornecer muitos detalhes. De um ponto de vantagem, centenas de quilômetros acima de uma tempestade, os satélites em movimento rápido podem capturar apenas um punhado de fótons de cada explosão e lutar para localizar sua posição. Eles também não veem os brilhos gama muito mais fracos.
Aviões e balões também não são plataformas ideais para estudar os flashes, porque eles podem atrapalhar os fenômenos naturais e podem ser perigosos para os pesquisadores. Os detectores no solo fornecem uma visão mais próxima do que os satélites, mas raramente estão perto o suficiente de nuvens de tempestade, então os raios gama são absorvidos bem antes de atingirem o solo.
“Nós realmente precisamos de medidas detalhadas e de perto dessas coisas”, diz Dwyer.
Ciência cidadã
Enoto e sua equipe podem chegar perto de tempestades em Kanazawa. No final de 2019, antes que a pandemia de coronavírus interrompesse as viagens internacionais, eles estavam se preparando para a campanha de inverno reinstalando o primeiro detector da temporada. Em um táxi para a escola, Enoto observa as folhas de outono vermelhas brilhantes que atraem os visitantes aos famosos jardins públicos de Kanazawa. A cidade é “bonita e antiga, com comida deliciosa”, afirma. Mas para os pesquisadores, é a combinação da cidade de frequentes relâmpagos e tempestades baixas que são seu melhor trunfo. “As tempestades aqui são especiais”, diz ele.
O Projeto Thundercloud começou em 2015, quando Enoto voltou de uma temporada de cinco anos nos Estados Unidos e reacendeu a paixão pelo tópico uma década antes. Como estudante de doutorado em 2006, Enoto e o físico Harufumi Tsuchiya da RIKEN instalaram detectores para explorar sinais estranhos semelhantes a ruídos captados por postos de monitoramento de raios gama em torno de usinas nucleares não muito longe de Kanazawa, ao longo da costa do Mar do Japão. Os detectores confirmaram que tais picos vieram de nuvens de tempestade de inverno passando por cima.
Quando ele voltou em 2015, o principal campo de estudo de Enoto eram as fontes cósmicas de raios-X. Mas ele nunca esqueceu a radiação intrigante muito mais perto de casa. Reunido com Tsuchiya, ele embarcou em um esforço para construir uma frota de detectores para explorar esses sinais de raios gama em torno de uma ampla área de Kanazawa, que fica na prefeitura de Ishikawa, e na prefeitura de Niigata, ao nordeste. Crucial para seus planos era fazer detectores de raio gama baratos de mesa que eles poderiam instalar em dezenas de locais. Wada se juntou à equipe e liderou o projeto desse dispositivo compacto, que usava um mini computador Raspberry Pi de US $ 60, ao lado de cristais de germanato de bismuto, um material que acende quando é atingido por fótons de raios gama. Seus experimentos aproveitam ferramentas da física de alta energia que raramente são usadas por cientistas atmosféricos. “É uma fusão de mundos”, diz Wada.
No início, o projeto teve dificuldades para conseguir uma bolsa de pesquisa do governo, em parte porque fica entre a física de partículas e a ciência atmosférica. Mas a equipe foi capaz de construir uma primeira geração de detectores com a ajuda de uma doação de 1,6 milhão de Yens (US $ 15.000) de 150 apoiadores por meio da plataforma japonesa de financiamento coletivo para pesquisa Academist.
Em sua primeira campanha, os pesquisadores instalaram 16 detectores em Kanazawa e cidades vizinhas e, em 2017, fizeram uma grande descoberta. Eles observaram uma série de sinais reveladores de raios gama, que só podiam ser causados por reações nucleares em tempestades. Suas descobertas importantes provaram que os raios gama podem eliminar nêutrons dos átomos do ar, tornando-os radioativos. Essa descoberta confirmou a existência de um processo hipotético que produz parte do suprimento de carbono-14 radioativo da atmosfera, o isótopo que os pesquisadores usam na datação por carbono de materiais antigos.
Agora a equipe está se expandindo ainda mais, em um esforço para detectar mais eventos de raios gama e entender melhor o que os causa (consulte ‘Fábrica de raios gama’). Kanazawa é um local ideal porque tem uma grande planície interior que pode hospedar uma série de detectores, permitindo aos pesquisadores rastrear sinais de nuvens em movimento. Enoto trabalhou com uma empresa privada para projetar um detector ainda menor e mais barato, que sua equipe planeja distribuir para cientistas cidadãos de toda a cidade para instalar e operar.
Rede social
Cada caixa amarela, que é marcada com um localizador GPS, é conhecida como Monitor de Raios Gama Compacto ou CoGaMo, o nome japonês para um tipo de pequeno pato local de Kanazawa. Juntamente com a rede existente de detectores, a equipe já colocou dez CoGaMos em jardins e casas de pessoas. A maioria dos participantes são amigos de amigos, e a notícia se espalhou por meio de uma rede de ávidos professores de ensino médio, diz Ikkatai, que coordena o elemento ciência-cidadã do projeto.
Ainda este ano, após recrutar mais participantes no esforço de ciência cidadã, a equipe espera ter 50 detectores em operação e 100 no próximo ano. A matriz cobriria a região com detectores espaçados cerca de 1 quilômetro um do outro. Embora o projeto de ciência cidadã completo ainda não tenha sido implementado, ele já “chama mais atenção do que minha área original de astronomia de raios-X”, diz Enoto.
Para recrutar cientistas cidadãos, a equipe fez parceria com a empresa de previsão Weathernews, que já usa uma frota de voluntários para tirar e enviar fotos que melhoram os relatórios meteorológicos ao vivo da empresa. Os membros do público poderão usar o sistema da web Weathernews para enviar fotos durante as tempestades, e as pessoas com um detector CoGaMo receberão avisos automáticos para fazer isso durante os brilhos de raios gama.
Esses dados serão inestimáveis, diz Enoto, revelando recursos como estruturas de nuvens, geometria, tamanho e cor durante os eventos. “A grande questão que quero saber é: que tipo de tempestade pode gerar raios gama?” ele diz. “Não sabemos qual é a diferença entre o tipo padrão de tempestade e o tipo estranho que mostra raios gama.”
Fotos de cidadãos darão uma imagem mais completa das características de uma nuvem de tempestade quando ela produz raios gama do que seria possível com apenas radar ou outros métodos convencionais, diz Vanna Chmielewski, uma cientista atmosférica do Laboratório Nacional de Tempestades Severas dos EUA e da Universidade de Oklahoma, ambos em Norman. “A parte da ciência cidadã é, honestamente, uma das coisas sobre o trabalho que mais me entusiasma”, diz ela.
A equipe de Enoto quer usar seus detectores para entender o tamanho das regiões emissoras de raios gama e como elas variam no tempo e no espaço e com o movimento de uma nuvem. Um dos segredos do sucesso do grupo é que “eles conseguiram colocar essas coisas em todos os lugares”, diz o físico David Smith, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, que desde então estuda fenômenos de alta energia em tempestades início dos anos 2000.
Smith e seus colegas instalaram um único sistema de detector em solo japonês, também na região de Kanazawa, em colaboração com o físico Masashi Kamogawa da Universidade de Shizuoka. Eles viram apenas dois flashes de raios gama até agora. Mas o grupo de Smith agora espera emular a abordagem de Enoto, fazendo versões menores, mais baratas e menos sensíveis que poderiam ser produzidas às centenas e distribuídas amplamente – talvez em colaboração com a equipe RIKEN. “Esse é o meu sonho”, diz ele.
Dentro da nuvem
Os físicos entendem o processo básico por trás dos brilhos e TGFs, mas muitas questões permanecem. Um jogador-chave é o forte campo elétrico nas nuvens de tempestade. O campo se forma quando correntes ascendentes de ar carregam cristais de gelo para cima, passando pelo granizo caindo – o atrito entre os dois cria piscinas separadas de partículas carregadas negativamente e positivamente em diferentes partes da nuvem. Esses campos são aceleradores de partículas naturais. Se um elétron de energia muito alta (talvez gerado por um raio cósmico do espaço sideral) entre no campo elétrico da nuvem, ele pode superar a fricção do ar para acelerar até perto da velocidade da luz.
Quando esse elétron atinge um átomo de ar, ele libera o tipo de raio gama visto em brilhos e flashes, em um processo conhecido como radiação bremsstrahlung. Os elétrons se multiplicam porque cada colisão pode retirar mais elétrons dos átomos em uma reação em cadeia, criando uma avalanche de partículas e uma inundação de raios gama.
Em brilhos de raios gama, essa cascata de partículas acontece em uma taxa lenta; em um TGF, é explosivo. Smith diz que é como a diferença entre uma reação nuclear em uma usina e o que acontece em uma bomba de fissão.
O mistério está nos detalhes. O mecanismo acelerador que os pesquisadores conhecem não pode produzir elétrons suficientes para gerar o TGF, o que significa que algum outro processo também deve estar em jogo. A ligação entre os fenômenos de raios gama e os relâmpagos também permanece obscura. Os flashes aparecem no início dos relâmpagos e possivelmente são disparados por eles, enquanto os brilhos podem começar minutos antes de os raios acontecerem.
Enoto espera que os dados de seu projeto ajudem a melhorar a compreensão desses aceleradores de partículas naturais. Seus detectores podem ver os TGFs, mas os flashes são tão brilhantes que saturam os instrumentos, então os pesquisadores ainda não podem estudá-los em grandes detalhes. Se o teste de campo atual for bem-sucedido, a Wada espera instalar detectores extras nos CoGaMos que possam capturar melhor os TGFs, ajudando os pesquisadores a decidir entre ideias rivais sobre suas origens.
Os pesquisadores colocaram duas possibilidades principais. Uma hipótese sugere que os elétrons são liberados na ponta dos “líderes” de relâmpagos – os canais condutores estreitos que ocorrem antes da maior corrente de relâmpago visível. De acordo com essa ideia, o campo elétrico extremo na ponta de um líder pode ionizar o ar, criando trilhões de elétrons “sementes”.
Outro mecanismo proposto, que Dwyer chamou de raio escuro, diz que o próprio processo de avalanche resultaria em muito mais elétrons do que inicialmente proposto, porque alguns dos raios gama criados por elétrons de alta energia desencadeariam novas cascatas – uma avalanche de avalanches .
Por enquanto, a verdadeira força da matriz japonesa estará em explorar os brilhos, os primos bebês dos flashes. A equipe agora vê até 20 brilhos por ano em Kanazawa e usa dados de receptores de radiofrequência para traçar relâmpagos – trabalhando com colaboradores que detectam a força e a posição dos impactos usando emissões de rádio, bem como medindo a precipitação e outras condições usando radar.
A equipe quer usar seu array para rastrear brilhos conforme eles vagam por quilômetros, para aprender sobre a vida útil dos fortes campos elétricos nas tempestades que os criam, incluindo como a aceleração de partículas começa, como ela se desenvolve e o que a impede.
Em 2019, a equipe foi a primeira a mostrar definitivamente um brilho crescente, terminando repentinamente em um flash de raios gama, bem como um relâmpago6. “Foi um belo resultado”, diz Smith. Para Enoto, isso é uma dica de que o fluxo de elétrons de alta energia que causa o brilho pode disparar relâmpagos e seu TGF associado, mas a equipe precisa de muito mais observações para concluir isso. A ideia é uma “possibilidade empolgante”, diz ele.
Fonte de relâmpago
O que desencadeia os raios é um dos maiores mistérios da ciência atmosférica. “Benjamin Franklin estudou raios há séculos, mas ainda há muito que não sabemos sobre como ele se forma e como se desenvolve”, diz Chmielewski. O problema é que os campos elétricos vistos até agora nas tempestades parecem muito fracos para ionizar átomos no ar – o processo que permite que a corrente elétrica na forma de um raio conecte as duas regiões de carga separada.
O físico Ashot Chilingarian afirma que há evidências de que a avalanche de elétrons envolvida pode abrir o caminho para os líderes relâmpago. Sua equipe no topo da montanha Aragats Cosmic Ray Research Station do Yerevan Physics Institute na Armênia é a única outra no mundo a ter visto um grande número de brilhos, testemunhando centenas de eventos. Eles se referem aos brilhos por um termo mais geral – aprimoramentos no solo de tempestades – porque seus detectores também captam os elétrons e outras partículas em movimento.
Uma razão pela qual os relâmpagos permaneceram um mistério por tanto tempo é que é difícil estudar com segurança os campos elétricos dentro das nuvens de tempestade. Quer os brilhos atuem como um gatilho ou não, eles são uma ferramenta importante para estudar os raios, pois revelam as condições dentro de uma tempestade, diz Dwyer. Os raios gama informam aos pesquisadores por quanto tempo um campo elétrico persiste, bem como sua força. “Essas são medições realmente difíceis de fazer diretamente”, diz Dwyer.
Além disso, os brilhos geralmente terminam em relâmpagos, que eventualmente puxam o plugue do acelerador, dissipando o campo elétrico. Se a equipe conseguir separar as condições que fazem com que os brilhos resultem em relâmpagos, Wada também espera que seja possível usar o sinal de raios gama para prever ataques minutos antes de atingirem, potencialmente salvando vidas e protegendo propriedades.
Entender o quão comuns são os TGFs, bem como que tipo de raio tende a acioná-los, é importante por outro motivo, diz Smith: eles podem ser perigosos em algumas situações. Os brilhos são muito fracos para causar um problema e, quando os TGFs atingem o solo, geralmente são inofensivos. Mas de perto, os flashes são muito mais potentes. Se alguém atingir um avião, por exemplo, “na pior das hipóteses, você poderia ter pessoas saindo do avião com sinais visíveis de doença da radiação”, diz Smith. É reconfortante que isso nunca tenha sido visto, diz ele. E pode não ser um problema para aeronaves, porque muitas vezes eles disparam relâmpagos, o que significa que podem fazê-lo antes que o campo elétrico se torne forte o suficiente para fazer um flash de raios gama. Mas ele se pergunta se as pessoas nos aviões poderiam receber doses menores que não são detectadas. “Pode resultar em 2 ou 3 casos de câncer em 20 anos e você nunca saberia. Mas é importante saber”, diz ele.
A equipe de Enoto está considerando colocar CoGaMos em aeronaves de passageiros japonesas para ver se eles podem detectar tal radiação invisível do ar. E eles têm o bug de usar pequenos detectores em todos os tipos de local: a partir de 2022, a equipe planeja colocar detectores do tamanho de caixas de sapatos do tamanho de CoGaMo em minúsculos satélites chamados Cubosats. Isso permitirá o estudo das emissões de raios-X de fontes cósmicas que são tão brilhantes que saturam telescópios de bilhões de dólares, como o Observatório de raios-X Chandra da NASA.
De volta à Kanazawa Izumigaoka High School, com o detector preso no telhado, Wada, Enoto e seus colegas se refugiam em uma sala de aula aconchegante, onde uma dúzia de alunos ansiosos logo se reúne. Inicialmente tímidos, os alunos acabaram enchendo Enoto de perguntas sobre os detectores, a radiação e as tempestades locais – que eles não imaginavam que poderiam ser tão frutíferas. Wada está encantado. “Queremos tornar essa pesquisa aberta a todos”, diz ele.
Publicado em 23/02/2021 16h38
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