Quando você olha para o céu, a região do espaço ao redor da Terra pode parecer clara como uma canção, mas há muita coisa acontecendo lá fora que não podemos ver. Nos últimos anos, as sondas que estudavam a radiação capturada pelo campo magnético da Terra descobriram algo peculiar – elétrons passando perto da velocidade da luz.
Só isso não é a parte peculiar; Os elétrons próximos à velocidade da luz, ou relativísticos, são bem conhecidos no cosmos, impulsionados por aceleradores de partículas cósmicas. O curioso é que, ocasionalmente, elétrons ultrarelativísticos aparecem extremamente rápidos – mas apenas durante algumas tempestades solares, e não em outras.
Uma equipe de cientistas liderada pela física espacial Hayley Allison, do Centro Alemão de Geociências GFZ, na Alemanha, acabou de descobrir por quê. E tudo isso tem a ver com cinturões de radiação invisíveis, cheios de partículas, enrolados em torno da Terra.
Os pesquisadores descobriram que somente se o plasma tiver sido significativamente esgotado em um cinturão de radiação antes de uma tempestade solar, os elétrons podem atingir essas velocidades ultrarelativísticas.
Oficialmente conhecidos como cinturões de radiação de Van Allen, esses cinturões estão localizados no bolsão do espaço quase imediatamente ao redor da Terra. O cinturão interno se estende de 640 a 9.600 quilômetros (400 a 6.000 milhas) de altitude, e o cinturão externo de cerca de 13.500 a 58.000 quilômetros. O que eles são são regiões nas quais o campo magnético da Terra captura partículas carregadas do vento solar.
Aqui na Terra, essas regiões não afetarão perceptivelmente nossas vidas diárias (embora certamente notássemos se elas fossem embora e o vento solar pudesse nos atingir livremente com partículas carregadas), mas a região do espaço imediatamente em torno do planeta, a uma altitude de cerca de 2.000 quilômetros, é onde colocamos a maioria de nossos satélites. É aqui que saber que tipo de clima espacial pode produzir elétrons ultrarelativísticos pode ser útil.
Quando acelerados a velocidades tão altas, esses elétrons se tornam um perigo. Devido às suas altas energias, nem mesmo a melhor blindagem pode mantê-los do lado de fora, e sua carga quando eles penetram na espaçonave pode destruir componentes eletrônicos sensíveis.
Então Allison e sua equipe começaram a analisar dados das sondas Van Allen, espaçonaves gêmeas lançadas para estudar os cinturões Van Allen em 2012 (antes de ser desativada em 2019).
Durante este tempo, as sondas registraram várias tempestades solares, eventos intensos em que uma explosão do Sol atinge a magnetosfera terrestre com vento solar e radiação.
Eles estavam procurando descobrir por que algumas dessas tempestades resultaram em elétrons ultrarelativísticos e outras não. Em particular, eles queriam examinar o plasma.
As ondas de plasma – flutuações nos campos elétricos e magnéticos – são conhecidas por ter um efeito acelerador sobre os elétrons, que podem “surfar” nas ondas de plasma como um wakesurfer usa as ondas de água para acelerar.
E as tempestades solares são conhecidas por excitar ondas de plasma ao redor da Terra; na verdade, as sondas Van Allen contribuíram para a descoberta de que as chamadas ondas de plasma “coro” ao redor da Terra podem acelerar os elétrons, embora o efeito por si só fosse considerado insuficiente para explicar os elétrons ultrarelativísticos observados. Os pesquisadores pensaram que deve haver algum tipo de processo de aceleração em duas etapas acontecendo.
Portanto, a equipe comparou as observações de plasma feitas pelas sondas Van Allen com as tempestades solares, com e sem elétrons ultrarelativísticos, na tentativa de descobrir o que estava acontecendo.
A densidade do plasma é difícil de medir diretamente, mas a equipe foi capaz de inferir a densidade a partir das flutuações nos campos elétricos e magnéticos. E os pesquisadores descobriram que os elétrons ultrarelativísticos se correlacionavam tanto com um esgotamento extremo da densidade do plasma quanto com a presença de ondas de coro.
É um resultado que mostra que um processo de aceleração de dois estágios, como se pensava anteriormente, não é necessário para elétrons ultrarelativísticos.
Embora a equipe tenha se concentrado nas velocidades mais extremas dos elétrons, eles também descobriram que, quando a densidade do plasma era menor, as ondas do coro aceleravam os elétrons para velocidades relativísticas em escalas de tempo mais curtas do que quando a densidade do plasma é maior.
“Este estudo mostra que os elétrons no cinturão de radiação da Terra podem ser rapidamente acelerados localmente para energias ultrarelativísticas, se as condições do ambiente de plasma – ondas de plasma e densidade de plasma temporariamente baixa – estiverem certas”, explicou o físico Yuri Shprits do Centro Alemão de Geociências GFZ e a Universidade de Potsdam na Alemanha.
“As partículas podem ser consideradas como surfando nas ondas de plasma. Em regiões de densidade de plasma extremamente baixa, elas podem simplesmente tirar muita energia das ondas de plasma. Mecanismos semelhantes podem estar em funcionamento nas magnetosferas de planetas externos, como Júpiter ou Saturno e em outros objetos astrofísicos. “
Publicado em 08/02/2021 12h01
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