Três maneiras de viajar bem próximo da velocidade da luz

Milena Elísios

Cem anos atrás, em 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 através do 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.

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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 podem ter efeitos de radiação negativos em astronautas que viajam pelo espaço quando viajam para a Lua – ou além.

Aqui estão três maneiras de chegar bem próximo á velocidade da luz:

1. Campos Eletromagnéticos

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.

Campos elétricos e magnéticos podem adicionar e remover energia das partículas, alterando suas velocidades. Crédito: Scientific Visualization Studio da NASA

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.

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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.

2. Explosões Magnéticas

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 as 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 campo magnético protetor. Quando a reconexão magnética ocorre no lado da Terra voltado para longe do sol, as partículas podem ser lançadas na atmosfera superior da Terra, onde elas acendem as auroras.

Velocidade da luz 2
Enormes explosões invisíveis estão ocorrendo constantemente no espaço ao redor da Terra. Essas explosões são o resultado de campos magnéticos torcidos que se encaixam e se realinham, disparando partículas pelo espaço. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA

A nave espacial Magnetospheric Multiscale 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.

3. Interações Onda-Partícula

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.

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Esses tipos de interações estão ocorrendo constantemente no espaço próximo da Terra e são responsáveis ​​por acelerar as partículas a velocidades que podem danificar eletrônicos em espaçonaves e satélites no espaço. As missões da NASA, como as Sondas Van Allen, 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 ​​por acelerar o vento solar e os raios cósmicos do sol. [Goddard Space Flight Center da NASA]

Uma versão dessa matéria foi publicada anteriormente em 1 de Junho de 2019.

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