Aceleradores cósmicos de partículas

Esta concepção artística da Agência Espacial Europeia mostra a espaçonave Cassini da NASA explorando o ambiente magnético de Saturno. A imagem está fora de escala. A magnetosfera de Saturno está representada em cinza, e a complexa região do arco de choque — a onda de choque no vento solar que envolve a magnetosfera — aparece em azul.

Quando cruzava o arco de choque, em 3 de fevereiro de 2007, a Cassini registrou um choque especialmente forte em uma orientação "quase paralela", na qual o campo magnético e a direção da parte dianteira do movimento do choque estão quase alinhados. Sob essas condições, uma significativa aceleração de partículas foi detectada pela primeira vez. As descobertas permitem compreender a aceleração de partículas nos choques ao redor dos remanescentes de explosões estelares.

This artist's impression by the European Space Agency shows NASA's Cassini spacecraft exploring the magnetic environment of Saturn. The image is not to scale. Saturn's magnetosphere is depicted in grey, while the complex bow shock region — the shock wave in the solar wind that surrounds the magnetosphere — is shown in blue.

While crossing the bow shock on Feb. 3, 2007, Cassini recorded a particularly strong shock in a "quasi-parallel" orientation, where the magnetic field and the direction of the front of the shock's movement are almost aligned. Under these conditions, significant particle acceleration was detected for the first time. The findings provide insight into particle acceleration at the shocks surrounding the remnants of stellar explosions.

Esta ilustração mostra condições de campos magnéticos "quase paralelos" (no alto) e "quase perpendiculares" (embaixo) em um arco de choque planetário. Arcos de choque são ondas de choque criadas quando o vento solar sopra no campo magnético de um planeta.

Sob condições quase-paralelas, o campo magnético do planeta está parcialmente apontado para a direção da superfície de choque, quase paralelo  a um vetor em ângulo reto para a frente do choque (flecha vermelha). Em condições quase perpendiculares, o campo magnético fica quase alinhado à superfície de choque, isto é, quase perpendicular ao vetor de choque.

Durante um encontro casual com o que parece ser um forte e incomum sorpo de vento solar em Saturno, a espaçonave Cassini da NASA detectou partículas sendo aceleradas a energias altíssimas. Semelhante à aceleração que ocorre ao redor de distantes supernovas. 

Já que não podemos ir até o local das distantes explosões estelares neste momento, a onda de choque que se forma do fluxo de vento solar ao redor do campo magnético  de Saturno serve como um raro laboratório para os cientistas da missão Cassini  — uma parceria entre a NASA, a Agência Espacial Europeia e a Agência Espacial Italiana —  observarem de perto este  fenômeno. As descobertas, publicadas esta semana na revista Nature Physics, confirmam que certos tipos de choque podem se tornar aceleradores de elétrons consideravelmente mais eficientes do que antes se pensava. 

Ondas de choque são comuns no universo, ocorrendo, por exemplo na sequência de explosões estelares, quando os destroços de aceleram para fora, formando um remanescente de supernova, ou quando o fluxo de partículas oriundas do Sol — o vento  solar — colidem com o campo magnético dos planeta, formando um arco de choque. Sob certas orientações do campo magnético e dependendo da força do choque, as partículas podem ser aceleradas quase à velocidade da luz nessas fronteiras. Essas podem ser as principais fontes de raios cósmicos, partículas de alta energia que permeiam nossa galáxia. 

Os cientistas estão especialmente interessados em choques "quase paralelos", nos quais o campo magnético e a direção do choque "para diante"  estão quase alinhados, como se pode verificar em remanescentes de supernovas. O novo estudo, chefiado por Adam Masters, do Instituto de Ciências Espaciais e Astronáuticas, em Sagamihara, no Japão, descreve a primeira detecção de aceleração de elétrons significativa em um choque  quase paralelo em Saturno, coincidindo com o que pode ser o mais forte choque já ocorrido no planeta dos anéis. 

This illustration shows "quasi-parallel" (top) and "quasi-perpendicular" (bottom) magnetic field conditions at a planetary bow shock. Bow shocks are shockwaves created when the solar wind blows on a planet's magnetic field.

Under quasi-parallel conditions, the planet's magnetic field is roughly pointing toward the shock surface, almost parallel to a vector at right angles to the shock front (red arrow). Under quasi-perpendicular conditions, the magnetic field is close to aligned with the shock surface, that is, almost perpendicular to the shock vector.

During a chance encounter with what appears to be an unusually strong blast of solar wind at Saturn, NASA's Cassini spacecraft detected particles being accelerated to ultra-high energies. This is similar to the acceleration that takes place around distant supernovas. 

Since we can't travel out to the far-off stellar explosions right now, the shockwave that forms from the flow of solar wind around Saturn's magnetic field provides a rare laboratory for scientists with the Cassini mission — a partnership involving NASA, the European Space Agency and the Italian Space Agency — to observe this phenomenon up-close. The findings, published this week in the journal Nature Physics, confirm that certain kinds of shocks can become considerably more effective electron accelerators than previously thought. 

Shock waves are commonplace in the universe, for example in the aftermath of a stellar explosion as debris accelerate outward in a supernova remnant, or when the flow of particles from the sun - the solar wind - impinges on the magnetic field of a planet to form a bow shock. Under certain magnetic field orientations and depending on the strength of the shock, particles can be accelerated to close to the speed of light at these boundaries. These may be the dominant source of cosmic rays, high-energy particles that pervade our galaxy. 

Scientists are particularly interested in "quasi-parallel" shocks, where the magnetic field and the "forward"-facing direction of the shock are almost aligned, as may be found in supernova remnants. The new study, led by Adam Masters of the Institute of Space and Astronautical Science, Sagamihara, Japan, describes the first detection of significant acceleration of electrons in a quasi-parallel shock at Saturn, coinciding with what may be the strongest shock ever encountered at the ringed planet.