Como os elétrons quase alcançam a velocidade da luz?
Uma nova pesquisa mostrou que os elétrons podem alcançar energias ultrarelativísticas sob condições muito especiais na magnetosfera, quando o espaço é desprovido de plasma.
Medições recentes dos satélites Van Allen Probes da NASA mostraram que os elétrons podem atingir energias ultrarelativísticas, voando perto da velocidade da luz.
Funcionários do Centro Alemão de Pesquisa de Geociências descobriram em que condições essas fortes acelerações ocorrem. Em 2020, eles já demonstraram que as ondas de plasma desempenham um papel crucial nisso durante as tempestades solares. No entanto, não estava claro por que essas altas energias de elétrons não são alcançadas em todas as tempestades solares. Cientistas mostram em Science Advances que reduzir drasticamente a densidade do plasma de fundo é crítico.
Elétrons ultrarelativísticos no espaço
Em energias ultrarelativísticas, os elétrons se movem quase à velocidade da luz. Então, as leis da relatividade tornam-se mais importantes.
A massa da partícula aumenta dez vezes, o tempo diminui, a distância diminui. Com essas altas energias, as partículas carregadas se tornam as mais perigosas até mesmo para os satélites mais protegidos.
Como quase nenhuma proteção pode detê-los, sua carga pode destruir componentes eletrônicos sensíveis. Portanto, prever sua ocorrência - por exemplo, como parte das observações meteorológicas espaciais praticadas no GFZ - é muito importante para a infraestrutura moderna.
Para investigar as condições para a tremenda aceleração dos elétrons, os cientistas usaram dados da missão dupla Van Allen Probes, que a agência espacial da NASA lançou em 2012. O objetivo era fazer medições detalhadas no cinturão de radiação.
Este é o chamado Cinturão de Van Allen que envolve a Terra. Aqui, como no resto do espaço, uma mistura de partículas com carga positiva e negativa forma o chamado plasma. As ondas de plasma podem ser entendidas como flutuações nos campos elétricos e magnéticos gerados por tempestades solares. Eles são uma importante força motriz por trás da aceleração dos elétrons.
Durante a missão, foram observadas tanto tempestades solares, que produziram elétrons ultrarelativísticos, quanto tempestades sem esse efeito. A densidade do plasma de fundo acabou sendo um fator decisivo para uma forte aceleração: elétrons com energia ultrarelativística apareceram apenas quando a densidade do plasma caiu para valores muito baixos, apenas cerca de dez partículas por centímetro cúbico, enquanto essa densidade é geralmente de cinco a dez vezes superior.
Usando um modelo numérico envolvendo esse esgotamento extremo do plasma, os autores mostraram que os períodos de baixa densidade criam condições favoráveis para a aceleração dos elétrons - de algumas centenas de milhares a mais de sete milhões de elétron-volts.
Para analisar os dados das sondas Van Allen, os pesquisadores usaram métodos de aprendizado de máquina financiados pela rede GEO.X. Eles permitiram aos autores determinar a densidade total do plasma a partir das flutuações medidas dos campos elétricos e magnéticos.
Plasma é crucial
"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 corretas. Em áreas de densidade de plasma extremamente baixa, as partículas podem atrair um muita energia das ondas de plasma. Mecanismos semelhantes podem funcionar nas magnetosferas de planetas externos, como Júpiter ou Saturno, e em outros objetos astrofísicos ”, diz Yuri Shprits, professor da Universidade de Potsdam.
Assim, para atingir essas energias extremas, não é necessário um processo de aceleração de dois estágios, como há muito se supõe - primeiro da região externa da magnetosfera para o cinturão, e depois para dentro. Isso também confirma os resultados de nossa pesquisa no ano passado.