Cem anos atrás, hoje, em 29 de maio, 1919, medições de um eclipse solar ofereceram verificação para a teoria da relatividade geral de Einstein. Mesmo antes disso, Einstein desenvolveu a teoria da relatividade especial, que revolucionou a forma como entendemos a luz. Até hoje, ele fornece orientação sobre a compreensão de como as partículas se movem através do espaço - uma área-chave de pesquisa para manter espaçonaves e astronautas protegidos da radiação.

A teoria da relatividade especial mostrou que as partículas de luz, fótons, viajar através do vácuo a um ritmo constante de 670, 616, 629 milhas por hora - uma velocidade imensamente difícil de alcançar e impossível de superar naquele ambiente. Ainda assim, em todo o espaço, de buracos negros a nosso ambiente próximo à Terra, partículas são, na verdade, sendo acelerado a velocidades incríveis, alguns até atingindo 99,9% da velocidade da luz.

Uma das tarefas da NASA é entender melhor como essas partículas são aceleradas. Estudando esses super-rápidos, ou relativista, partículas podem ajudar a proteger missões de exploração do sistema solar, viajando para a lua, e eles podem nos ensinar mais sobre nossa vizinhança galáctica:uma partícula bem direcionada próxima à velocidade da luz pode causar uma viagem eletrônica a bordo e muitas de uma vez podem ter efeitos negativos de radiação em astronautas que viajam pelo espaço enquanto viajam para a Lua - ou além.

Aqui estão três maneiras pelas quais a aceleração acontece.

1. Campos eletromagnéticos

A maioria dos processos que aceleram as partículas a velocidades relativísticas funcionam com campos eletromagnéticos - a mesma força que mantém os ímãs em sua geladeira. Os dois componentes, campos elétricos e magnéticos, como dois lados da mesma moeda, trabalham juntos para misturar partículas em velocidades relativísticas em todo o universo.

Em essência, campos eletromagnéticos aceleram partículas carregadas porque as partículas sentem uma força em um campo eletromagnético que as empurra, semelhante a como a gravidade atrai objetos com massa. Nas condições certas, os campos eletromagnéticos podem acelerar as partículas quase na velocidade da luz.

Na terra, os campos elétricos são frequentemente explorados especificamente em escalas menores para acelerar as partículas em laboratórios. Aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons e o Fermilab, use campos eletromagnéticos pulsados ​​para acelerar 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 por partículas elementares e entendam como era o universo nas primeiras frações de segundo após o Big Bang.

2. Explosões magnéticas

Os campos magnéticos estão por toda parte no espaço, circundando a Terra e abrangendo o sistema solar. Eles até guiam partículas carregadas que se movem através do espaço, que espiralam em torno dos campos.

Quando esses campos magnéticos se chocam, eles podem ficar emaranhados. Quando a tensão entre as linhas cruzadas se torna muito grande, as linhas se encaixam e se 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 associadas sejam arremessadas para longe em altas velocidades. Os cientistas suspeitam que a reconexão magnética é uma maneira que as partículas - por exemplo, o vento solar, que é o fluxo constante de partículas carregadas do sol - é acelerado para velocidades relativísticas.

Essas partículas velozes também criam uma variedade de efeitos colaterais perto dos planetas. A reconexão magnética ocorre perto de nós em pontos onde o campo magnético do Sol empurra contra a magnetosfera da Terra - seu ambiente 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 desencadeiam as auroras. A reconexão magnética também é considerada responsável por outros planetas como Júpiter e Saturno, embora de maneiras ligeiramente diferentes.

A espaçonave magnetosférica multiescala 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 ao redor da Terra para capturar a reconexão magnética em ação. Os resultados dos dados analisados ​​podem ajudar os cientistas a entender a aceleração das partículas em velocidades relativísticas ao redor da Terra e em todo o 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 ser comprimidos. Partículas carregadas que saltam para frente e para trás entre as ondas podem ganhar energia semelhante a uma bola quicando entre duas paredes que se fundem.

Esses tipos de interação ocorrem constantemente no espaço próximo à Terra e são responsáveis ​​por acelerar as partículas a velocidades que podem danificar os componentes eletrônicos das espaçonaves e dos satélites no espaço. Missões da NASA, como as sondas Van Allen, ajudar os cientistas a entender as interações onda-partícula.

As interações onda-partícula também são consideradas responsáveis ​​pela aceleração de alguns raios cósmicos que se originam fora do nosso sistema solar. Depois de uma explosão de supernova, um quente, densa camada de gás comprimido, chamada onda de choque, é ejetada do núcleo estelar. Preenchido com campos magnéticos e partículas carregadas, as interações onda-partícula nessas bolhas podem lançar raios cósmicos de alta energia a 99,6% da velocidade da luz. As interações onda-partícula também podem ser parcialmente responsáveis ​​pela aceleração do vento solar e dos raios cósmicos do sol.