Físicos confirmam origem das ondas assobiadoras no espaço

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/01/2023

Campo magnético da onda de modo assobiador (setas azuis em espiral) se propagando ao longo do campo magnético (roxo) interagindo com elétrons (vermelho) que passam por ele.
[Imagem: University of Tokyo]

Ondas assobiadoras

Todos os campos da ciência que precisam de alguma forma olhar para cima - para a atmosfera ou para o espaço - precisam lidar com uma forma muito especial de onda, conhecida como "onda em modo assobiador", ou onda assobiadora - o termo em inglês é whistler-mode wave.

Trata-se de uma onda na faixa de rádio do espectro eletromagnético, mas com uma frequência muito baixa, tipicamente de 1 kHz to 30 kHz. Assim, embora sejam ondas eletromagnéticas - e não ondas de compressão, como as ondas sonoras - elas ocorrem em frequências de áudio, podendo ser convertidas em som usando um receptor adequado.

Os raios geram ondas assobiadoras. Quando você olha para uma linda aurora no céu, o que você está vendo também é o resultado da interação entre essas ondas e os elétrons na atmosfera. O mesmo acontece com os raios cósmicos e com todos os fenômenos envolvidos no clima espacial - as sondas Voyager documentaram ondas assobiadoras nas cercanias de Júpiter.

Agora, pela primeira vez, pesquisadores japoneses conseguiram demonstrar experimentalmente como essas ondas se formam, o que deverá ajudar não apenas a entender melhor o clima espacial e projetar melhores proteções para os satélites artificiais e naves espaciais, como também entender melhor a física dos plasmas, do plasma espacial àqueles gerados nos reatores de fusão nuclear.

As implicações da descoberta vão muito além do clima espacial.
[Imagem: N. Kitamura et al. - 10.1038/s41467-022-33604-2]

Um vácuo que não é vazio

Para entender o fenômeno, é preciso ter em mente que o espaço é muito diferente conforme estejamos longe ou perto de um corpo celeste. Por exemplo, quando as pessoas imaginam o espaço sideral, muitas vezes o visualizam como um vácuo perfeito. Na verdade, essa impressão não é correta porque o "vácuo" é repleto de partículas carregadas.

Contudo, nas profundezas do espaço, longe das estrelas e planetas, a densidade das partículas carregadas torna-se tão baixa que raramente elas colidem umas com as outras. Em vez de serem impulsionadas por colisões, o movimento dessas partículas carregadas passa a ser ditado pelas forças relacionadas aos campos elétricos e magnéticos que preenchem o espaço.

Essa falta de colisões ocorre em todo o espaço, exceto quando nos aproximamos de objetos celestes, como estrelas, luas ou planetas. Nesses casos, as partículas carregadas não viajam mais pelo "vácuo" do espaço, mas sim por um meio onde podem atingir outras partículas.

Ao redor dos corpos celestes, como a Terra, essas interações de partículas carregadas geram ondas, incluindo as ondas eletromagnéticas de modo assobiador, que dispersam e aceleram algumas das partículas carregadas.

É aí que estava o hiato em nosso conhecimento. Embora as teorias já indicassem isso, ninguém até hoje havia observado quem gerava quem nessa interação entre elétrons e outras partículas cósmicas e as ondas assobiadoras.

As sondas MMS já haviam descoberto uma transferência de energia via plasma.
[Imagem: NASA]

Crescimento eficiente das ondas

Na tentativa de compreender esse fenômeno, Naritoshi Kitamura e seus colegas da Universidade de Nagoya, no Japão, foram encontrar os dados que procuravam sobre a interação ondas-elétrons nas leituras feitas pela missão MMS (Magnetospheric MultiScale), um conjunto de quatro sondas espaciais da NASA que voam em formação através da magnetosfera da Terra, a região de plasma dominada pelo campo magnético do nosso planeta.

Ao analisar as interações entre elétrons e ondas de modo assobiador, que também são medidas pelas sondas espaciais, a equipe conseguiu detectar diretamente a transferência de energia ocorrendo dos elétrons ressonantes para as ondas de modo assobiador no local da espaçonave no espaço.

A partir disso, eles derivaram a taxa de crescimento da onda, comprovando não apenas que são os elétrons que geram as ondas assobiadoras, como validando a hipótese que previa um crescimento não-linear das ondas ocorrendo nessa interação.

"Esta foi a primeira vez que alguém observou diretamente o crescimento eficiente de ondas no espaço para a interação onda-partícula entre elétrons e ondas em modo assobiador. Esperamos que os resultados contribuam para a pesquisa sobre várias interações onda-partícula e também para melhorar nossa compreensão do progresso da pesquisa em física de plasma.

"Como fenômenos mais específicos, os resultados contribuirão para nosso entendimento da aceleração de elétrons a altas energias no cinturão de radiação, que às vezes são chamados de 'elétrons assassinos' porque causam danos aos satélites, bem como a perda de elétrons de alta energia na atmosfera, que formam auroras difusas," disse Kitamura.

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