Sondas Van Allen mostram como acelerar elétrons

Uma das grandes questões sem resposta que atormentam os cientistas em relação ao clima espacial é o quê cria dois gigantescos donuts de radiação que circundam a Terra, chamados cinturões de radiação de Van Allen. O cinturão de radiação de Van Allen externo muda de forma, tamanho e composição, com algumas partículas movendo-se quase à velocidade da luz. Dados recentes das Sondas Van Allen da NASA indicam que um processo de duas etapas acelera essas partículas: Um mecanismo dá às partículas um impulso inicial e, em seguida, um tipo de onda eletromagnética chamado Whistlers completa o serviço.

O cinturão de radiação de Van Allen interno é razoavelmente estável, mas o externo varia em tamanho, forma e composição de uma maneira que os cientistas ainda não entendem direito. Algumas das partículas deste cinturão se movem quase à velocidade da luz, mas o que as acelera desta forma? 

"É importanta entender como ocorre este processo," disse Forrest Mozer, cientista espacial da Universidade da Califórnia em Berkeley, e o primeiro autor do artigo sobre esses resultados publicado online no Physical Review Letters, em 15 de julho de 2014, e na edição impressa de 18 de julho. "Nós não apenas acreditamos que um processo similiar ocorra no Sol e ao redor de outros planetas, mas também que essas partículas velozes possam danificar os equipamentos eletrônicos das naves espaciais e afetar os astronautas no espaço."

Durante as últimas décadas, inúmeras teorias sobre a origem dessas partículas extremamente energéticas foram desenvolvidas. Elas, na maioria, se encaixaram em duas diferentes possibilidades. A primeira teoria é a de que as partículas vêm de muito mais longe, umas 400.000 milhas, ou mais, acumulando energia pelo caminho. A segunda teoria diz que algum mecanismo acelera partículas já localizadas naquela região do espaço. Após dois anos no espaço, os dados das Sondas Van Allen apontaram majoritariamente para a segunda hipótese.

Além disso, mostrou-se que uma vez que as partículas atingem energias razoavelmente grandes, de 100 keV, ela se movem a velocidades em sincronia com gigantescas ondas eletromagnéticas que podem acelerá-las ainda mais – da mesma forma como um impulso no tempo certo  em um balanço  pode mantê-lo movendo-se mais e mais alto.

"Este artigo incorpora a teoria das ondas Whistler anteriormente adotada," disse Shri Kanekal,  cientista designado da missão para as Sondas  Van Allen no Centro Goddard de Voos Espaciais da NASA em Greenbelt, Maryland, EUA. "Mas fornece uma nova explicação sobre como as partículas obtêm seu impulso de energia inicial."

Este primeiro mecanismo é baseado em algo chamado estruturas de domínio temporal, que Mozer e seus colegas haviam identificado anteriormente nos cinturões. São pulsos de campo elétrico de duração muito curta, que correm paralelamente aos campos magnéticos que passam através dos cinturões de radiação. Essas linhas de campos  magnéticos guiam o movimento de todas as partículas carregadas nos cinturões: As  partículas se  movem e giram ao redor das linhas, como se estivessem traçando a forma de uma mola. Durante esta fase inicial, os pulsos elétrios impulsionam as partículas mais rapidamente para a frente, na direção paralela aos campos magnéticos. Este mecanismo pode aumentar um pouco as energias – embora não tanto quanto se acredita ser necessário para que as ondas  Whistler tenham qualquer efeito. Entretanto Mozer e sua equipe mostraram, através de dados das Sondas Van Allen e de  simulações, que as Whistlers podem, de fato, afetar particulas àquelas energias mais baixas.

Juntamente, o impulso um-dois é um mecanismo  que pode efetivamente acelerar as partículas a velocidades intensas, que têm, durante tanto tempo, misteriosamente aparecido nos cinturões de Van Allen.

"As Sondas Van Allen puderam monitorar esse processo de aceleração melhor do que qualquer outra espaçonave porque foram projetadas e colocadas em um órbita especialmente para esse propósito," disse Mozer. "A missão forneceu a primeira confirmação realmente consistente do que está ocorrendo. Esta é a primeira vez que podemos de fato explicar como os elétrons são acelerados até quase a velocidade da luz."

Esse conhecimento ajuda o trabalho de compreender suficientemente os cinturões a fim de proteger espaçonaves e astronautas próximos.

Tradução de Luiz Leitão

One of the great, unanswered questions for space weather scientists is just what creates two gigantic donuts of radiation surrounding Earth, called the Van Allen radiation belts. The outer Van Allen radiation belt changes shape, size and composition, with some particles zooming along at close to light speed. Recent data from NASA's Van Allen Probes suggests that a two-fold process accelerates these particles: One mechanism gives the particles an initial boost and then a kind of electromagnetic wave called Whistlers does the final job.

The inner Van Allen radiation belt is fairly stable, but the outer one changes shape, size and composition in ways that scientists don't yet perfectly understand. Some of the particles within this belt zoom along at close to light speed, but just what accelerates these particles up to such velocities? Recent data from the Van Allen Probes suggests that it is a two-fold process: One mechanism gives the particles an initial boost and then a kind of electromagnetic wave called Whistlers does the final job to kick them up to such intense speeds.

"It is important to understand how this process happens," said Forrest Mozer, a space scientist at the University of California in Berkeley and the first author of the paper on these results that appeared online in Physical Review Letters on July 15, 2014, in conjunction with the July 18 print edition. "Not only do we think a similar process happens on the sun and around other planets, but these fast particles can damage the electronics in spacecraft and affect astronauts in space."

Over the last few decades, numerous theories about where these extremely energetic particles come from have been developed. They have largely fallen into two different possibilities. The first theory is that the particles drift in from much further out, some 400,000 miles or more, gathering energy along the way. The second theory is that some mechanism speeds up particles already inhabiting that area of space. After two years in space, the Van Allen Probes data has largely pointed to the latter.

Additionally, it has been shown that once particles attain reasonably large energies of 100 keV, they are moving at speeds in synch with giant electromagnetic waves that can speed the particles up even more – the same way a well-timed push on a swing can keep it moving higher and higher.

"This paper incorporates the Whistler waves theory previously embraced," said Shri Kanekal, the deputy mission scientist for the Van Allen Probes at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "But it provides a new explanation for how the particles get their initial push of energy."

This first mechanism is based on something called time domain structures, which Mozer and his colleagues have identified previously in the belts. They are very short duration pulses of electric field that run parallel to the magnetic fields that thread through the radiation belts. These magnetic field lines guide the movement of all the charged particles in the belts: The particles move along and gyrate around the lines as if they were tracing out the shape of a spring. During this early phase, the electric pulses push the particles faster forward in the direction parallel to the magnetic fields. This mechanism can increase the energies somewhat – though not as high as traditionally thought to be needed for the Whistler waves to have any effect. However, Mozer and his team showed, through both data from the Van Allen Probes and from simulations, that Whistlers can indeed affect particles at these lower energies.

Together the one-two punch is a mechanism that can effectively accelerate particles up to the intense speeds, which have for so long mysteriously appeared in the Van Allen belts.

"The Van Allen Probes have been able to monitor this acceleration process better than any other spacecraft because it was designed and placed in a special orbit for that purpose," said Mozer. "The mission has provided the first really strong confirmation of what's happening. This is the first time we can truly explain how the electrons are accelerated up to nearly the speed of light."

Such knowledge helps with the job of understanding the belts well enough to protect nearby spacecraft and astronauts.