Evento no Sistema Solar explica aceleradores cósmicos de partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/01/2025

Ilustração do ambiente de choque do vento solar com o campo magnético da Terra. Partículas vindas do Sol interagem com o campo magnético da Terra formando uma onda de choque, chamada de choque em arco, mostrada em vermelho.
[Imagem: Northumbria University/Mark Garlick]

Aceleradores cósmicos de partículas

Os aceleradores cósmicos de partículas estão entre os maiores enigmas da cosmologia, acelerando continuamente partículas até energias impressionantes - o Pevatron, o maior acelerador natural de partículas conhecido, alcança energia de até 20 peta-elétron-volts (20¹⁵ elétron-volts).

A grande questão ainda por ser explicada reside em como os elétrons atingem níveis de energia tão elevados, ou relativísticos.

A resposta padrão hoje é conhecida como aceleração de Fermi, ou aceleração de choque difusivo, que descreve como as partículas ganham energia ao interagir com uma onda de choque, uma região onde um fluido se move com velocidades diferentes - ao atravessar a onda de choque, a partícula ganha energia cinética, sendo acelerada.

Mas há dois problemas: Primeiro, é muito mais comum no Universo encontrarmos ondas de choque sem colisão, e, segundo, esse mecanismo exige que os elétrons já estejam energizados acima de um limite de energia específico, para que possam ser então acelerados de forma eficiente pela aceleração de choque difusivo. O buraco na explicação - como os elétrons atingem essa energia inicial - é conhecido como "o problema da injeção".

Agora, usando dados dos observatórios Themis-Artemis, que estuda o ambiente de plasma espacial perto da Lua, Savvas Raptis e colegas das universidades Johns Hopkins, nos EUA, e Northumbria, no Reino Unido, descobriram que os elétrons podem sofrer sua aceleração inicial por meio da interação de vários processos em múltiplas escalas.

Uma série de choques astrofísicos rumo sudoeste (canto inferior esquerdo) e nordeste (canto superior direito). Captada pelo telescópio Webb, esta imagem mostra o Herbig-Haro 211 - objetos Herbig-Haro são formados quando ventos estelares ou jatos de gás expelidos por estrelas recém-nascidas formam ondas de choque.
[Imagem: ESA/Webb/NASA/CSA/Tom Ray]

Acelerador natural no Sistema Solar

Tudo começou em 17 de dezembro de 2017, quando os instrumentos das sondas espaciais detectaram um fenômeno em larga escala, mas transitório, a montante do choque em arco da Terra, a fronteira magnética que se forma à medida que o vento solar, um fluxo constante de partículas carregadas emitidas pelo Sol, interage com o campo magnético da Terra. Essa interação cria uma onda de choque, similar à que se forma quando um objeto se move rapidamente através de um fluido.

Durante o evento, os elétrons na região frontal do choque, a área onde o vento solar é pré-perturbado por sua interação com o choque em arco, atingiram níveis de energia sem precedentes, ultrapassando 500 keV - os elétrons observados na região do choque preliminar tipicamente têm energias por volta de 1 keV.

Os dados indicam que esses elétrons de alta energia foram gerados pela interação de múltiplos mecanismos de aceleração, incluindo a interação dos elétrons com várias ondas de plasma, estruturas transitórias no abalo sísmico e com o choque em arco propriamente dito. Todos esses mecanismos atuaram juntos para acelerar os elétrons de baixas energias - por volta de 1 keV - até os 500 keV observados, resultando em um processo de aceleração de elétrons particularmente eficiente.

(A) Medições mostrando a ausência de elétrons de 100-500 keV (alta energia). (B) Medições durante o evento com elétrons energéticos. O eixo X (horizontal) mostra o tempo, enquanto o eixo Y (vertical) representa a razão entre o fluxo de fundo (número de elétrons passando por uma área específica em um determinado período de tempo) e a observação real. Um valor de 1, como mostrado no gráfico à esquerda, indica nenhuma partícula energética, enquanto o painel à direita demonstra um aumento de dez vezes nos elétrons energéticos.
[Imagem: 10.1038/s41467-024-55641-9]

Do local ao cósmico

Esse mecanismo múltiplo abre novos caminhos para a compreensão da geração de raios cósmicos e oferece um vislumbre de como fenômenos de natureza local, dentro do nosso Sistema Solar, podem ajudar a entender os processos astrofísicos em todo o Universo.

"A maior parte da nossa pesquisa se concentrou em efeitos de pequena escala, como interações onda-partícula, ou propriedades de grande escala, como a influência do vento solar," comentou o professor Raptis. "No entanto, como demonstramos neste trabalho, ao combinar fenômenos em diferentes escalas, fomos capazes de observar sua interação que, em última análise, energiza partículas no espaço."

"Isso torna a estrutura que propusemos relevante para melhor compreensão da aceleração de elétrons até energias de raios cósmicos em estruturas astrofísicas a anos-luz de distância do nosso Sistema Solar, como em outros sistemas estelares, remanescentes de supernovas e núcleos galácticos ativos," completou seu colega Ahmad Lalti.

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