Três maneiras de viajar a (quase) velocidade da luz
Cem anos atrás, hoje, em 29 de maio de 1919, as medições de um eclipse solar ofereceram verificação da teoria da relatividade geral de Einstein. Mesmo antes disso, Einstein desenvolveu a teoria da relatividade especial, que revolucionou a maneira como entendemos a luz. Até hoje, ele fornece orientação para entender como as partículas se movem pelo espaço – uma área fundamental de pesquisa para manter as espaçonaves e os astronautas a salvo da radiação.
A teoria da relatividade especial mostrou que partículas de luz, fótons, viajam através de um vácuo a um ritmo constante de 670.616.629 milhas por hora – uma velocidade imensamente difícil de alcançar e impossível de superar naquele ambiente. No entanto, em todo o espaço, desde os buracos negros até o nosso ambiente próximo da Terra, as partículas estão, de fato, sendo aceleradas a velocidades incríveis, algumas chegando até a 99,9% da velocidade da luz.
Um dos trabalhos da NASA é entender melhor como essas partículas são aceleradas. Estudar essas partículas super-rápidas ou relativísticas pode ajudar a proteger missões explorando o sistema solar, viajando para a Lua, e elas podem nos ensinar mais sobre nossa vizinhança galáctica: uma partícula bem direcionada de velocidade próxima à luz pode tropeçar em eletrônica embarcada e também muitos ao mesmo tempo poderiam ter efeitos de radiação negativos em astronautas que viajam pelo espaço quando viajam para a Lua – ou além.
Aqui estão três maneiras que a aceleração acontece.
1) Campos Eletromagnéticos
A maioria dos processos que aceleram partículas a velocidades relativísticas funcionam com campos eletromagnéticos – a mesma força que mantém ímãs em sua geladeira. Os dois componentes, campos elétricos e magnéticos, como dois lados da mesma moeda, trabalham juntos para misturar partículas a velocidades relativísticas por todo o universo.
Em essência, os campos eletromagnéticos aceleram as partículas carregadas, porque as partículas sentem uma força em um campo eletromagnético que as empurra, semelhante a como a gravidade puxa objetos com massa. Nas condições certas, os campos eletromagnéticos podem acelerar as partículas a velocidades próximas da luz.
Na Terra, os campos elétricos são frequentemente aproveitados em escalas menores para acelerar partículas em laboratórios. Os aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider e o Fermilab, usam campos eletromagnéticos pulsados ??para acelerar as partículas carregadas em até 99,99999896% da velocidade da luz. Nessas velocidades, as partículas podem ser esmagadas para produzir colisões com imensas quantidades de energia. Isso permite que os cientistas procurem partículas elementares e entendam como era o universo nas primeiras frações de segundo após o Big Bang.
2) Explosões magnéticas
Os campos magnéticos estão em toda parte no espaço, circundando a Terra e abrangendo o sistema solar. Eles até guiam as partículas carregadas que se movem pelo espaço, que espiralam ao redor dos campos.
Quando esses campos magnéticos se encontram, eles podem ficar emaranhados. Quando a tensão entre as linhas cruzadas se torna muito grande, as linhas se estalam e realinham de forma explosiva em um processo conhecido como reconexão magnética. A rápida mudança no campo magnético de uma região cria campos elétricos, o que faz com que todas as partículas carregadas sejam lançadas em alta velocidade. Os cientistas suspeitam que a reconexão magnética é uma das formas pelas quais partículas – por exemplo, o vento solar, que é o fluxo constante de partículas carregadas do Sol – são aceleradas a velocidades relativísticas.
Essas partículas velozes também criam uma variedade de efeitos colaterais próximos aos planetas. A reconexão magnética ocorre perto de nós em pontos onde o campo magnético do Sol empurra a magnetosfera da Terra – seu ambiente magnético protetor. Quando a reconexão magnética ocorre no lado da Terra, de frente para o Sol, as partículas podem ser lançadas na atmosfera superior da Terra, onde elas acendem as auroras. A reconexão magnética também é considerada responsável em torno de outros planetas como Júpiter e Saturno, embora de maneiras ligeiramente diferentes.
A nave espacial Magnetospheric Multiscale da NASA foi projetada e construída para se concentrar na compreensão de todos os aspectos da reconexão magnética. Usando quatro espaçonaves idênticas, a missão voa em torno da Terra para capturar a reconexão magnética em ação. Os resultados dos dados analisados ??podem ajudar os cientistas a entender a aceleração de partículas em velocidades relativísticas ao redor da Terra e através do universo.
3) Interações Onda-Partícula
As partículas podem ser aceleradas por interações com ondas eletromagnéticas, chamadas interações onda-partícula. Quando as ondas eletromagnéticas colidem, seus campos podem ficar comprimidos. Partículas carregadas saltando para frente e para trás entre as ondas podem ganhar energia semelhante a uma bola quicando entre duas paredes que se fundem.
Esses tipos de interações estão ocorrendo constantemente no espaço próximo da Terra e são responsáveis ??por acelerar as partículas a velocidades que podem danificar a eletrônica em espaçonaves e satélites no espaço. As missões da NASA, como as Sondas Van Allen, ajudam os cientistas a entender as interações onda-partícula.
Acredita-se que as interações onda-partícula sejam responsáveis ??por acelerar alguns raios cósmicos que se originam fora do nosso sistema solar. Após uma explosão de supernova, uma camada quente e densa de gás comprimido, chamada onda de choque, é ejetada do núcleo estelar. Repletas de campos magnéticos e partículas carregadas, as interações onda-partícula nestas bolhas podem lançar raios cósmicos de alta energia a 99,6% da velocidade da luz. As interações onda-partícula também podem ser parcialmente responsáveis ??pela aceleração do vento solar e dos raios cósmicos do sol.
Publicado em 31/05/2019
Artigo Original: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/three-ways-to-travel-at-nearly-the-speed-of-light
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