Um novo estudo descobriu que os elétrons podem alcançar energias ultra-relativísticas para condições muito especiais na magnetosfera, quando o espaço está desprovido de plasma.

Medições recentes da espaçonave Van Allen Probes da NASA mostraram que os elétrons podem alcançar energias ultra-relativísticas voando quase à velocidade da luz. Hayley Allison, Yuri Shprits e colaboradores do Centro Alemão de Pesquisa de Geociências revelaram sob quais condições essas fortes acelerações ocorrem. Eles já haviam demonstrado em 2020 que durante a tempestade solar as ondas de plasma desempenham um papel crucial para isso. Contudo, antes não estava claro por que essas altas energias de elétrons não são alcançadas em todas as tempestades solares. No jornal Avanços da Ciência , Allison, Shprits e colegas agora mostram que depleções extremas da densidade do plasma de fundo são cruciais.

Elétrons ultrarrelativísticos no espaço

Em energias ultra-relativísticas, os elétrons se movem quase à velocidade da luz. Então, as leis da relatividade tornam-se mais importantes. A massa das partículas aumenta por um fator dez, o tempo está diminuindo, e a distância diminui. Com energias tão altas, partículas carregadas tornam-se mais perigosas até mesmo para os satélites mais bem protegidos. Como quase nenhuma proteção pode detê-los, sua carga pode destruir componentes eletrônicos sensíveis. Prevendo sua ocorrência, por exemplo, como parte das observações do clima espacial praticadas no GFZ - é, portanto, muito importante para a infraestrutura moderna.

Para investigar as condições para as enormes acelerações dos elétrons, Allison e Shprits usaram dados de uma missão gêmea, as sondas Van Allen, que a agência espacial dos EUA NASA havia lançado em 2012. O objetivo era fazer medições detalhadas no cinturão de radiação, o chamado cinto de Van Allen, que circunda a Terra em forma de rosquinha no espaço terrestre. Aqui - como no resto do espaço - uma mistura de partículas carregadas positivamente e negativamente forma o chamado plasma. As ondas de plasma podem ser entendidas como flutuações do campo elétrico e magnético, animado por tempestades solares. Eles são uma importante força motriz para a aceleração dos elétrons.

Análise de dados com aprendizado de máquina

Durante a missão, tanto as tempestades solares que produziram elétrons ultra-relativísticos quanto as tempestades sem esse efeito foram observadas. A densidade do plasma de fundo acabou sendo um fator decisivo para a forte aceleração:elétrons com as energias ultrarrelativísticas só foram observados para aumentar quando a densidade do plasma caiu para valores muito baixos de apenas cerca de dez partículas por centímetro cúbico, enquanto normalmente essa densidade é cinco a dez vezes maior.

Usando um modelo numérico que incorporou tal esgotamento de plasma extremo, os autores mostraram que os períodos de baixa densidade criam condições preferenciais para a aceleração dos elétrons - de algumas centenas de milhares a mais de sete milhões de elétron-volts. Para analisar os dados das sondas Van Allen, os pesquisadores usaram métodos de aprendizado de máquina, cujo desenvolvimento foi financiado pela rede GEO.X. Eles permitiram aos autores inferir a densidade total do plasma a partir das flutuações medidas do campo elétrico e magnético.

O papel crucial do plasma

"Este estudo mostra que os elétrons no cinturão de radiação da Terra podem ser prontamente acelerados localmente para energias ultra-relativísticas, se as condições do ambiente de plasma - ondas de plasma e densidade de plasma temporariamente baixa - estiverem certas. As partículas podem ser consideradas surfando em ondas de plasma. Em regiões de densidade de plasma extremamente baixa, eles podem absorver uma grande quantidade de energia das ondas de plasma. Mecanismos semelhantes podem estar em funcionamento nas magnetosferas dos planetas externos, como Júpiter ou Saturno e em outros objetos astrofísicos, "diz Yuri Shprits, chefe da seção GFZ de física espacial e clima espacial e professor da Universidade de Potsdam.

"Assim, para alcançar essas energias extremas, um processo de aceleração de dois estágios não é necessário, desde que assumido - primeiro da região externa da magnetosfera para o cinturão e depois para dentro. Isso também apóia os resultados de nossa pesquisa do ano passado, "acrescenta Hayley Allison, Pós-doutorado na seção Física do espaço e clima espacial.