Aceleradores cósmicos de partículas começam a ser compreendidos

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No espaço, grandes campos magnéticos guiam as partículas conhecidas como raios cósmicos ao longo do Universo a uma velocidade próxima à da luz - são os aceleradores naturais de partículas. [Imagem: NASA/ESA/Hubble Heritage Team et al.]

Aceleradores naturais
As sondas espaciais da missão Cluster, da ESA, descobriram que os aceleradores de partículas cósmicas são mais eficientes do que se pensava.
A descoberta revelou, pela primeira vez, as fases iniciais dos aceleradores naturais de partículas do Universo.
Todos os aceleradores de partículas necessitam de uma forma de iniciar o processo de aceleração.
Por exemplo, o Large Hadron Collider (LHC), recorre a uma série de pequenos aceleradores que põem as partículas em movimento antes de estas serem injetadas no anel principal, de 27 km de comprimento, onde atingem a velocidade desejada.
No espaço, grandes campos magnéticos guiam as partículas conhecidas como raios cósmicos ao longo do Universo a uma velocidade próxima à da luz, mas são pouco eficientes em dar o empurrão inicial.
Como as partículas de alta energia atingem a Terra, os cientistas sabiam que os aceleradores naturais funcionam, embora ainda não compreendessem como se dava essa aceleração inicial.
Arco de choque magnético
A missão Cluster agora mostrou que, também no espaço, ocorre um processo semelhante ao que acontece no LHC, com acelerações graduais.
As quatro sondas da missão Cluster passaram pela região conhecida como arco de choque magnético da Terra.
O alinhamento das quatro era quase perfeito, o que permitiu analisar o que se passava com os elétrons em escalas temporais muito curtas, de 250 milissegundos ou menos.
As medições mostraram que a temperatura dos elétrons aumenta bruscamente, criando condições favoráveis a uma aceleração em larga escala.
Já se suspeitava que o arco de choque magnético tinha esta capacidade, mas a dimensão do mesmo, bem como os detalhes do processo, eram difíceis de compreender.

As quatro sondas da missão CLUSTER ficaram quase perfeitamente alinhadas ao longo do arco de choque magnético da Terra. [Imagem: ESA/AOES Medialab]

Arco fino
A equipe de Steven Schwartz, do Imperial College, em Londres, usou os dados das sondas Cluster para estimar a espessura do arco de choque. Isto é importante porque, quanto mais fino o arco, mais fácil é acelerar as partículas.
"Com estas observações, descobrimos que o arco é o mais fino possível," diz Schwartz.
"Fino", neste caso, corresponde a cerca de 17 km - estimativas anteriores previam espessuras das camadas de choque acima da Terra de cerca de 100 km.
É a primeira vez que se vê com tal detalhamento a região inicial de aceleração das partículas cósmicas.
Este conhecimento é importante já que os arcos de choques estão por todo o lado no Universo - eles são criados sempre que um meio em movimento atinge um obstáculo ou outro fluxo.
Arcos de choque
O processo pode ser compreendido comparando-o com o que ocorre com um avião supersônico.
O avião atinge continuamente a atmosfera antes que as moléculas de ar consigam desviar-se, formando uma onda de choque à frente do avião, que provoca um som característico, conhecido com "boom sônico".
No Sistema Solar, o Sol libera um vento solar acelerado e carregado eletricamente. Quando este vento solar encontra o campo magnético terrestre, forma-se um arco de choque permanente à frente do nosso planeta.
As sondas Cluster têm sido essenciais no estudo deste fenômeno - os cientistas acreditam que os novos resultados, mesmo obtidos para um ponto em particular, podem ser aplicáveis em larga escala.

• Encontrando ordem no caos da turbulência

Também se encontram arcos de choque em volta de estrelas em explosão, estrelas jovens, buracos negros e galáxias. Os cientistas suspeitam que estes possam estar na origem dos raios cósmicos de altas energias que preenchem o universo.
A missão Cluster demonstrou que os arcos de choque muito finos podem ser vitais para desencadear o processo de aceleração nestes locais. Pode não ser a única forma de iniciar as coisas, mas é definitivamente uma forma.

ESA​