Esta visualização representa um dos mecanismos tradicionais propostos para a aceleração de partículas através de um choque, denominado shock drift acceleration (aceleração de deriva de choque). Os elétrons (amarelo) e prótons (azul) podem ser vistos movendo-se na área de colisão onde duas bolhas de plasma quente colidem (linha vertical vermelha). As flechas ciano representam o campo magnético, e as flechas verde-claro, o campo elétrico.
Muito acima da superfície, o campo magnético da Terra constantemente deflere as partículas supersônicas que vêm do Sol. Essas partículas sofrem perturbações em regiões imediatamente fora do campo magnético da Terra – e algumas delas são refletidas para uma região turbulenta chamada foreshock. Novas observações da missão THEMIS – abreviatura de Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (História de Tempo de Eventos e Interações em Macroescala durante Subtempestades) –da NASA mostram que essa região turbulenta pode acelerar elétrons a velocidades próximas à da luz. Essa partículas extremamente velozes vêm sido observadas no espaço próximo à Terra e em muitos outros lugares do Universo, mas os mecanismos que as aceleram ainda não foram concretamente compreendidos.
Os novos resultados fornecem os primeiros passos para uma resposta, ao mesmo tempo em que trazem à tona novas questões. A pesquisa descobre que elétrons podem ser acelerados a velocidades extremamente altas em uma região próxima à Terra mais além do que anteriormente acreditava-se ser possível – levando a novas preguntas a respeito de o que causa a aceleração. Essas descobertas podem modificar as teorias aceitas sobre como os elétrons podem ser acelerados naõ só em choques próximos à Terra, mas também através de todo o Universo. Ter uma melhor compreensão de como as partículas são energizadas ajudará os cientistas e engenheiros a melhor equiparem as espaçonaves e os astronautas para lidarem com essas partículas, as quais podem fazer com que os equipamentos apresentem mau funcionamento e afetar os viajantes espaciais.
“Isso afeta muito todas os campos que lidam com partículas de energia, desde estudos de raios cósmicos até labaredas solares e ejeções de massa coronal, que têm o potencial de danificar satélites e afetar astronautas em expedições a Marte,” disse Lynn Wilson, autora principal de um artigo sobre esses resultados no Centro Goddard de Voos Espaciais da NASA em Greenbelt, Maryland.
Os resultados, publicados na Physical Review Letters, em 14 de novembro de 2016, descrevem como tais partículas podem tornar-se aceleradas em regiões específicas logo além do campo magnético da Terra. Tipicamente, uma partícula fluindo em direção à Terra encontra antes uma região fronteiriça chamada arco de choque, que forma uma barreira protetora entre o vento solar, o contínuo e variável fluxo de partículas carregadas vindo do Sol, e a Terra. O campo magnético no arco de choque desacelera as partículas, fazendo com que a maioria delas seja desviada para longe da Terra, embora algumas sejam refletidas de volta em direção ao Sol. Essas partículas refletidas formam uma região de elétrons e íons chamada região de choque frontal.
Algumas daquelas partículas na região de choque frontal elétrons e íons são altamente energéticos e velozes. Historicamente, cientistas pensavam a forma como essas partículas alcançam tais altas energias seria movendo-se para a frente a para trás através do arco de choque, obtendo um pouco de energia extra de cada colisão. Entretanto, as novas observações sugerem que as partículas podem também ganhar energia através de atividade eletromagnética na própria região de choque frontal.
As observações que levaram a essa descoberta foram obtidas de uma das missões de satélites da THEMIS. Os cinco satélites da THEMIS circundaram a Terra para estudar como a magnetosfera do planeta capturava e liberava a energia do vento solar, para compreender o que inicia as subtempestades geomagnéticas que causas auroras. As órbitas do THEMIS levaram a espaçonave através das regiões fronteiriças de choque frontal. A missão THEMIS primária foi concluída com êxito em 2010, e agora dois dos satálites colhem dados em órbita da Lua.
Operando entre o Sol e a Terra, a espaçonave encontrou elétrons acelerados a energias extremamente altas. As acelerações observadas duraram menos de um minuto, mas eram muito mais altas do que a energia média de partículas na região, e muito mais altas do que pode ser explicado por colisões somente. Observações simultâneas dae espaçonavee adicionais Heliophysics, Wind e STEREO, mostraram ausência de surtos de emissões de rádio ou choques interplanetários, de forma que os elétrons de alta energia não se originaram da atividade solar.
“Esse é um caso intrigante porque estamos vendo elétrons energéticos onde não acreditamos que eles deveriam estar, e nenhum modelo se encaixa neles,” disse David Sibeck, coautor e cientista do projeto THEMIS no Goddard. “Há um lapso em nosso conhecimento, algo básico está faltando.”
Os elétrons tampouco poderiam ter se originado do arco de choque, como se pensava anteriormente. Se os elétrons fossem acelerados no arco de choque, teriam um movimento, direção e localização preferidos – em linha com o campo magnético e movendo-se para longe do arco de choque em uma região pequena e específica. Entretanto, os elétrons observados estavam se movendo em todas as direções, e não ao longo das linhas de campo magnético. Adicionalmente, o arco de choque só pode produzir energias a aproximadamente um décimo das energias dos elétrons observados. Em vez disso, descobriu-se que a causa da aceleração dos elétrons estava dentro da própria região de choque frontal.
“Isso parece sugerir que coisas em escalas incrivelmente pequenas estão fazendo isso, porque as coisas em grandes escalas não podem explicar os fatos,” disse Wilson.
Partículas de altas energias têm sido observadas na região de choque frontal há mais de 50 anos, mas até agora, ninguém havia visto os elétrons de altas energias se originarem do interior da região de choque frontal. Isso se deve em parte à pequena escala temporal na qual os elétrons são acelerados, quando observações anteriores haviam durado, em média, vários minutos, o que pode ter ocultado qualquer evento. A THEMIS reúne observações muito mais rápido, o que lhe confere uma capacidade sem igual de ver as partículas.
Tradução de Luiz Leitão da Cunha
This visualization represents one of the traditional proposed mechanisms for accelerating particles across a shock, called a shock drift acceleration. The electrons (yellow) and protons (blue) can be seen moving in the collision area where two hot plasma bubbles collide (red vertical line). The cyan arrows represent the magnetic field and the light green arrows, the electric field.
High above the surface, Earth’s magnetic field constantly deflects incoming supersonic particles from the sun. These particles are disturbed in regions just outside of Earth’s magnetic field – and some are reflected into a turbulent region called the foreshock. New observations from NASA’s THEMIS – short for Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms – mission show that this turbulent region can accelerate electrons up to speeds approaching the speed of light. Such extremely fast particles have been observed in near-Earth space and many other places in the universe, but the mechanisms that accelerate them have not yet been concretely understood.
The new results provide the first steps towards an answer, while opening up more questions. The research finds electrons can be accelerated to extremely high speeds in a near-Earth region farther from Earth than previously thought possible – leading to new inquiries about what causes the acceleration. These findings may change the accepted theories on how electrons can be accelerated not only in shocks near Earth, but also throughout the universe. Having a better understanding of how particles are energized will help scientists and engineers better equip spacecraft and astronauts to deal with these particles, which can cause equipment to malfunction and affect space travelers.
“This affects pretty much every field that deals with high-energy particles, from studies of cosmic rays to solar flares and coronal mass ejections, which have the potential to damage satellites and affect astronauts on expeditions to Mars,” said Lynn Wilson, lead author of the paper on these results at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.
The results, published in Physical Review Letters, on Nov. 14, 2016, describe how such particles may get accelerated in specific regions just beyond Earth's magnetic field. Typically, a particle streaming toward Earth first encounters a boundary region known as the bow shock, which forms a protective barrier between the solar wind, the continuous and varying stream of charged particles flowing from the sun, and Earth. The magnetic field in the bow shock slows the particles, causing most to be deflected away from Earth, though some are reflected back towards the sun. These reflected particles form a region of electrons and ions called the foreshock region.
Some of those particles in the foreshock region are highly energetic, fast moving electrons and ions. Historically, scientists have thought one way these particles get to such high energies is by bouncing back and forth across the bow shock, gaining a little extra energy from each collision. However, the new observations suggest the particles can also gain energy through electromagnetic activity in the foreshock region itself.
The observations that led to this discovery were taken from one of the THEMIS – short for Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms – mission satellites. The five THEMIS satellites circled Earth to study how the planet's magnetosphere captured and released solar wind energy, in order to understand what initiates the geomagnetic substorms that cause aurora. The THEMIS orbits took the spacecraft across the foreshock boundary regions. The primary THEMIS mission concluded successfully in 2010 and now two of the satellites collect data in orbit around the moon.
Operating between the sun and Earth, the spacecraft found electrons accelerated to extremely high energies. The accelerated observations lasted less than a minute, but were much higher than the average energy of particles in the region, and much higher than can be explained by collisions alone. Simultaneous observations from the additional Heliophysics spacecraft, Wind and STEREO, showed no solar radio bursts or interplanetary shocks, so the high-energy electrons did not originate from solar activity.
“This is a puzzling case because we’re seeing energetic electrons where we don’t think they should be, and no model fits them,” said David Sibeck, co-author and THEMIS project scientist at NASA Goddard. “There is a gap in our knowledge, something basic is missing.”
The electrons also could not have originated from the bow shock, as had been previously thought. If the electrons were accelerated in the bow shock, they would have a preferred movement direction and location – in line with the magnetic field and moving away from the bow shock in a small, specific region. However, the observed electrons were moving in all directions, not just along magnetic field lines. Additionally, the bow shock can only produce energies at roughly one tenth of the observed electrons’ energies. Instead, the cause of the electrons’ acceleration was found to be within the foreshock region itself.
“It seems to suggest that incredibly small scale things are doing this because the large scale stuff can’t explain it,” Wilson said.
High-energy particles have been observed in the foreshock region for more than 50 years, but until now, no one had seen the high-energy electrons originate from within the foreshock region. This is partially due to the short timescale on which the electrons are accelerated, as previous observations had averaged over several minutes, which may have hidden any event. THEMIS gathers observations much more quickly, making it uniquely able to see the particles.
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