Um novo estudo descobriu que os elétrons podem alcançar energias ultra-relativísticas em condições muito especiais na magnetosfera, quando o espaço está desprovido de plasma.
Medições recentes da espaçonave Van Allen Probes da NASA mostraram que os elétrons podem alcançar energias ultra-relativísticas voando quase à velocidade da luz. Hayley Allison, Yuri Shprits e colaboradores do Centro Alemão de Pesquisa de Geociências revelaram sob quais condições essas fortes acelerações ocorrem. Já haviam demonstrado em 2020 que durante a tempestade solar as ondas de plasma desempenham um papel crucial para isso. No entanto, não estava claro por que essas altas energias de elétrons não são alcançadas em todas as tempestades solares. Na revista Science Advances, Allison, Shprits e colegas agora mostram que depleções extremas da densidade do plasma de fundo são cruciais.
Elétrons ultrarrelativísticos no espaço
Em energias ultra-relativísticas, os elétrons se movem quase à velocidade da luz. Então, as leis da relatividade tornam-se mais importantes. A massa das partículas aumenta em um fator dez, o tempo está diminuindo e a distância diminui. Com energias tão altas, as partículas carregadas se tornam mais perigosas até para os satélites mais bem protegidos. Como quase nenhuma blindagem pode detê-los, sua carga pode destruir componentes eletrônicos sensíveis. Prever sua ocorrência – por exemplo, como parte das observações do clima espacial praticadas no GFZ – é, portanto, muito importante para a infraestrutura moderna.
Para investigar as condições para as enormes acelerações dos elétrons, Allison e Shprits usaram dados de uma missão gêmea, as Sondas Van Allen, que a agência espacial americana NASA havia lançado em 2012. O objetivo era fazer medições detalhadas no cinturão de radiação, o chamado cinturão de Van Allen, que envolve a Terra em forma de rosquinha no espaço terrestre. Aqui – como no resto do espaço – uma mistura de partículas carregadas positivamente e negativamente forma o chamado plasma. As ondas de plasma podem ser entendidas como flutuações do campo elétrico e magnético, excitadas por tempestades solares. Eles são uma importante força motriz para a aceleração dos elétrons.
Análise de dados com aprendizado de máquina
Durante a missão, foram observadas tanto tempestades solares que produziram elétrons ultrarrelativísticos quanto tempestades sem esse efeito. A densidade do plasma de fundo acabou sendo um fator decisivo para a forte aceleração: elétrons com as energias ultra-relativísticas só foram observados para aumentar quando a densidade do plasma caiu para valores muito baixos de apenas cerca de dez partículas por centímetro cúbico, enquanto normalmente essa densidade é cinco a dez vezes maior.
Usando um modelo numérico que incorporou tal esgotamento extremo do plasma, os autores mostraram que os períodos de baixa densidade criam condições preferenciais para a aceleração dos elétrons – de algumas centenas de milhares iniciais a mais de sete milhões de elétron-volts. Para analisar os dados das sondas Van Allen, os pesquisadores utilizaram métodos de aprendizado de máquina, cujo desenvolvimento foi financiado pela rede GEO.X. Eles permitiram aos autores inferir a densidade total do plasma a partir das flutuações medidas do campo elétrico e magnético.
O papel crucial do plasma
“Este estudo mostra que os elétrons no cinturão de radiação da Terra podem ser rapidamente acelerados localmente para energias ultrarrelativísticas, se as condições do ambiente de plasma – ondas de plasma e densidade de plasma temporariamente baixa – estiverem corretas. As partículas podem ser consideradas como surfando no plasma ondas. Em regiões de densidade plasmática extremamente baixa, eles podem absorver muita energia das ondas de plasma. Mecanismos semelhantes podem estar em funcionamento nas magnetosferas dos planetas externos, como Júpiter ou Saturno, e em outros objetos astrofísicos “, diz Yuri Shprits, chefe da seção GFZ de física espacial e clima espacial e professor da Universidade de Potsdam.
“Assim, para alcançar essas energias extremas, não é necessário um processo de aceleração de dois estágios, como há muito assumido – primeiro da região externa da magnetosfera para o cinturão e depois para dentro. Isso também apóia os resultados de nossa pesquisa do ano passado”, acrescenta Hayley Allison, pós-doutorado na seção Física do espaço e clima espacial.
Publicado em 03/02/2021 15h52
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