SONDAS VAN ALLEN DESCOBREM ACELERADOR DE PARTÍCULAS NO CORAÇÃO DE CINTURAS DE RADIAÇÃO DA TERRA
30 de Julho de 2013
Cientistas descobriram um enorme acelerador de partículas no coração de uma das regiões mais austeras do espaço próximo da Terra, uma região de partículas carregadas super-energéticas que rodeia o globo chamada cintura Van Allen de radiação. Os cientistas sabiam que algo no espaço acelerava partículas nas cinturas de radiação até mais de 99% da velocidade da luz, mas não sabiam o que era esse algo. Novos resultados das sondas Van Allen da NASA mostram agora que a energia de aceleração vem de dentro das próprias cinturas. Partículas no interior das cinturas são aceleradas por impulsos locais de energia, empurrando as partículas a velocidades cada vez mais rápidas, tal como um impulso perfeitamente cronometrado num baloiço em movimento.
A descoberta que as partículas são aceleradas por uma fonte local de energia é semelhante à descoberta que os furacões crescem a partir de uma fonte de energia local, tal como uma região quente de água do mar. No caso das cinturas de radiação, a fonte é uma região de ondas electromagnéticas intensas, obtendo energia de outras partículas localizadas na mesma região. A localização da aceleração vai ajudar os cientistas a melhorar as previsões meteorológicas espaciais, porque as mudanças nas cinturas de radiação podem ser arriscadas para satélites perto da Terra. Os resultados foram publicados na edição de 25 de Julho da revista Science.
Para que os cientistas compreendam melhor as cinturas, as sondas Van Allen foram desenhadas para voar em linha recta por esta área intensa do espaço. Quando a missão foi lançada em Agosto de 2012, tinha como objectivos de alto nível compreender como as partículas nas cinturas são aceleradas até energias ultra-altas, e como as partículas podem por vezes escapar. Ao determinar que esta aceleração super-rápida tem origem nestes empurrões locais de energia, ao contrário de um processo mais global, os cientistas foram capazes de responder pela primeira vez a uma destas importantes questões.
"Este é um dos resultados mais esperados e emocionantes das sondas Van Allen," afirma David Sibeck, cientista do projecto das sondas Van Allen no Centro Aeroespacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado americano do Maryland. "Vai ao cerne do motivo pelo qual lançámos a missão."
As cinturas de radiação foram descobertas após o lançamento bem-sucedido dos primeiros satélites americanos enviados para o espaço, os Explorer I e III. Rapidamente se percebeu que as cinturas eram dos ambientes mais perigosos para uma nave espacial. A maioria das órbitas dos satélites são escolhidas para ficarem abaixo ou acima das cinturas, e alguns satélites, como os de GPS, têm que operar entre as duas cinturas. Quando as cinturas incham devido ao tempo espacial, podem abranger estes objectos artificiais, expondo-os à perigosa radiação. De facto, um número significativo de falhas permanentes em sondas e satélites deve-se à radiação. Com aviso suficiente, podemos proteger a tecnologia das piores consequências, mas tal advertência só pode ser alcançada se realmente entendermos a dinâmica do que está a acontecer nestas cinturas misteriosas.
"Até à década de 1990, pensávamos que as cinturas de Van Allen eram muito bem-comportadas e mudavam lentamente," afirma Geoff Reeves, autor principal do artigo e cientista da cintura de radiação do Laboratório Nacional de Los Alamos, em Los Alamos, Novo México, EUA. "Com mais e mais medições, no entanto, percebemos quão rápidas e imprevisíveis eram as alterações nas cinturas. Elas nunca estão em equilíbrio, estão num estado constante de mudança."
De facto, os cientistas aperceberam-se que as cinturas não mudam de forma consistente em resposta ao que parecem ser estímulos semelhantes. Algumas tempestades solares fazem com que as cinturas se intensifiquem; outras fazem com que as cinturas se esgotem, e outras parecem nem sequer fazer efeito. Tais resultados diferentes sugerem que esta região é muito mais misteriosa do que se pensava anteriormente. Para entender - e, eventualmente, prever - que tempestades solares vão intensificar as cinturas de radiação, os cientistas querem saber de onde vem a energia que acelera as partículas.
As sondas gémeas Van Allen foram concebidas para distinguir entre duas grandes possibilidades em que processos aceleram as partículas a velocidades tão incríveis: a aceleração radial ou aceleração local. Na aceleração radial, as partículas são transportadas perpendicularmente aos campos magnéticos que rodeiam a Terra, a partir de áreas de baixa força magnética longe da Terra até áreas de alta força magnética mais perto da Terra. As leis da física ditam que as velocidades das partículas neste cenário aumentam quando o campo magnético fica mais forte. Assim, a velocidade aumentaria à medida que as partículas se movem em direcção à Terra, da mesma forma que uma rocha descendo um monte ganha velocidade simplesmente devido à gravidade. A teoria de aceleração local postula que as partículas ganham energia a partir de uma fonte local de energia mais parecida com o modo como a água quente do oceano gera um furacão por cima.
Para ajudar a distinguir entre estas hipóteses, a missão Van Allen consiste de duas sondas. Com dois conjuntos de observações, os cientistas podem medir as partículas e fontes de energia em duas regiões do espaço ao mesmo tempo, o que é fundamental para distinguir entre causas que ocorrem localmente ou que vêm de longe. Além disso, cada sonda está equipada com sensores para medir a energia e posição das partículas e determinar o ângulo de inclinação - isto é, o ângulo de movimento em relação aos campos magnéticos da Terra. Todos estes mudam de maneiras diferentes, dependendo das forças que actuam sobre eles, ajudando assim os cientistas a distinguir entre as duas teorias.
Equipados com estes dados, Reeves e a sua equipa observaram um aumento rápido de electrões altamente energéticos nas cinturas de radiação a 9 de Outubro de 2012. Se a aceleração destes electrões estivesse a ocorrer devido ao transporte radial, podiam ser medidos efeitos inicialmente longe da Terra, movendo-se para o interior devido à própria forma e força dos campos circundantes. Em tal cenário, as partículas que se deslocam através de campo magnéticos saltam naturalmente de um para o outro numa cascata semelhante, ganhando velocidade e energia ao longo do caminho - correlacionando-se com o tal cenário de pedras que rolam monte abaixo.
Mas as observações não mostraram uma intensificação que se formou mais longe da Terra e gradualmente se moveu para o interior. Em vez disso, mostraram um aumento de energia que começou bem no meio das cinturas de radiação e que gradualmente se espalhou para dentro e para fora, o que implica uma fonte de aceleração local.
"Neste caso particular, toda a aceleração ocorreu em cerca de 12 horas," afirma Reeves. "Com medições anteriores, um satélite podia ter sido capaz de voar através de um evento destes apenas uma vez, e não ter a hipótese de testemunhar as mudanças realmente acontecendo. Com as sondas Van Allen temos dois satélites e assim podemos observar como as coisas mudam e ondas as mudanças começam."
Os cientistas acreditam que os novos resultados vão levar a melhores previsões da complexa cadeia de eventos que intensificam as cinturas de radiação até níveis que podem danificar satélites. Enquanto o trabalho mostra que a energia local provém de ondas electromagnéticas que circulam através das cinturas, não se sabe exactamente quais as ondas que são a causa. Durante o conjunto de observações descritas no presente artigo, as sondas Van Allen observaram um tipo específico de onda chamadas ondas refrão, ao mesmo tempo que as partículas eram aceleradas, mas é necessário mais trabalho para determinar a causa e efeito.
"Este estudo ajuda a diferenciar entre duas soluções amplas," afirma Sibeck. "Isto mostra que a aceleração pode acontecer localmente. Agora, os cientistas que estudam ondas e campos magnéticos vão saltar para fazer o seu trabalho, e descobrir o que levou ao impulso."
Felizmente, esta tarefa também será ajudada pelas sondas Van Allen, que foram cuidadosamente desenhadas para medir e distinguir entre os vários tipos de ondas electromagnéticas.
"Quando os cientistas projectaram a missão e os instrumentos das sondas, debruçaram-se sobre as incógnitas científicas e disseram: 'Esta é uma grande oportunidade para desbloquear alguns dos conhecimentos fundamentais sobre como as partículas são aceleradas, '" afirma Nicola J. Fox, cientista do projecto do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, Maryland, EUA. "Com cinco conjuntos idênticos de instrumentos a bordo da sonda gémea - cada com uma ampla gama de detecção de partículas, campos e ondas - temos a melhor plataforma já criada para entender esta região crítica do espaço acima da Terra."
Observações recentes pelas sondas Van Allen da NASA mostram que as partículas nas cinturas de radiação que rodeiam a Terra são aceleradas por um impulso local de energia, ajudando a explicar como estas partículas alcançam velocidades de 99% da velocidade da luz.
Crédito: G. Reeves/M. Henderson
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Duas zonas de partículas que rodeiam a Terra chamadas cinturas de radiação são dos maiores aceleradores naturais do Sistema Solar, capazes de empurrar partículas até 99% da velocidade da luz. As sondas Van Allen, lançadas em Agosto de 2012, descobriram agora mecanismos por trás desta aceleração.
Crédito: NASA/Goddard/Scientific Visualization Studio
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