Três maneiras de viajar a (quase) Velocidade da Luz

Caros Leitores;

Cem anos atrás, hoje, em 29 de maio de 1919, as medições de um eclipse solar ofereceram a 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 que é 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
2) Explosões magnéticas
Sobre o MMS
3) Interações Onda-Partícula

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. 

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 https://www.nasa.gov/mission_pages/mms/index.html 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.

O MMS orbita através do espaço próximo à Terra para observar um processo pouco conhecido chamado reconexão magnética. Esse processo ocorre em muitos lugares ao redor do universo e alimenta uma grande variedade de eventos, incluindo explosões gigantescas no sol e auroras verde-azuladas brilhando no céu noturno. Os dados do MMS estão disponíveis publicamente - https://lasp.colorado.edu/mms/sdc/public/

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 - https://www.nasa.gov/van-allen-probes ,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.

Campos elétricos e magnéticos podem adicionar e remover energia das partículas, alterando suas velocidades.

Créditos: Estúdio de Visualização Científica da NASA

Por Mara Johnson-Groh 

Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA , Greenbelt, Md.
Tags:  Goddard Space Flight Center Sistema Solar

Última atualização: 30 de maio de 2019

Editor: Rob Garner

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/three-ways-to-travel-at-nearly-the-speed-of-light   

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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Pesquisador Independente na Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).

Membro da Society for Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.

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