NASA Mystery: Electron 'Superhighway' Viajando em velocidade de luz descoberto apenas fora do campo magnético da Terra

"Este é um caso intrigante porque estamos vendo elétrons enérgicos onde nós não pensamos que deveriam ser, e nenhum modelo os encaixa", disse David Sibeck, co-autor e cientista do projeto THEMIS na NASA Goddard. "Há uma lacuna em nosso conhecimento, algo básico está faltando."

"Isso afeta praticamente todos os campos que lidam com partículas de alta energia, desde estudos de raios cósmicos até disparos solares e ejeções de massa coronal, que têm o potencial de danificar satélites e afetar os astronautas em expedições a Marte", disse Lynn Wilson, Do artigo sobre esses resultados no Goddard Space Flight Center da NASA.

Alto acima da superfície, o campo magnético da Terra constantemente desvia as partículas supersônicas do sol. Estas partículas são perturbadas em regiões apenas fora do campo magnético da Terra - e algumas são refletidas em uma região turbulenta chamada o foreshock.

Novas observações da missão THEMIS da NASA mostram que esta região turbulenta pode acelerar elétrons até velocidades próximas à velocidade da luz.Essas partículas extremamente rápidas têm sido observadas no espaço próximo à Terra e em muitos outros lugares do universo, mas os mecanismos que as aceleram ainda não foram concretamente compreendidos.

Os novos resultados fornecem os primeiros passos para uma resposta, enquanto abrem mais perguntas. A pesquisa descobre que os elétrons podem ser acelerados a velocidades extremamente altas em uma região mais distante da Terra do que se pensava ser possível - levando a novas investigações sobre o que causa a aceleração.

Esses resultados podem alterar as teorias aceitas sobre como os elétrons podem ser acelerados não apenas em choques perto da Terra, mas também em todo o universo. Ter uma melhor compreensão de como as partículas são energizadas ajudará cientistas e engenheiros a equipar melhor as naves espaciais e astronautas para lidar com essas partículas, o que pode causar mau funcionamento do equipamento e afetar os viajantes espaciais.

Os resultados, publicados em Physical Review Letters em 14 de novembro de 2016, descrevem como essas partículas podem se acelerar em regiões específicas, além do campo magnético da Terra. Tipicamente, uma partícula que flui para a Terra encontra primeiramente uma região do limite conhecida como o choque do arco, que forma uma barreira protetora entre o sol ea terra. 
O campo magnético no choque do arco retarda as partículas, fazendo com que a maioria seja deflected longe da terra, embora alguns são refletidos para trás para o sol. Essas partículas refletidas formam uma região de elétrons e íons chamada região de foreshock.

Algumas dessas partículas na região do foreshock são altamente energéticos, movendo-se rapidamente elétrons e íons. Historicamente, os cientistas pensaram que uma maneira que estas partículas chegam a tais altas energias é saltando para frente e para trás através do choque do arco, ganhando um pouco de energia extra de cada colisão.

No entanto, as novas observações sugerem que as partículas também podem ganhar energia através da atividade eletromagnética na própria região do foreshock.

As observações que levaram a esta descoberta foram tiradas de um dos satélites THEMIS - abreviação de Histórico de Eventos e Interacções de Macroscala durante Substorms - missão.

Os cinco satélites THEMIS circularam em torno da Terra para estudar como a magnetosfera do planeta capturou e liberou a energia eólica solar, a fim de entender o que inicia as sub-regiões geomagnéticas que causam a aurora.

As órbitas de THEMIS tomaram a nave espacial através das regiões limite do foreshock. A principal missão THEMIS concluiu com sucesso em 2010 e agora dois dos satélites coletar dados em órbita ao redor da lua.

A visualização acima representa um dos mecanismos tradicionais propostos para acelerar partículas através de um choque, chamado aceleração de deriva de choque. Os elétrons (amarelo) e prótons (azul) podem ser vistos movendo-se na área de colisão onde duas bolhas de plasma quente colidem (linha vertical vermelha). As setas cyan representam o campo magnético e as setas verdes claras, o campo elétrico. 

As observações aceleradas duraram menos de um minuto, mas foram muito maiores do que a energia média das partículas na região, e muito maior do que pode ser explicado apenas por colisões. Observações simultâneas da nave espacial Wind e STEREO não mostraram rajadas de rádio solar ou choques interplanetários, portanto os elétrons de alta energia não se originaram da atividade solar.

Os elétrons também não poderiam ter se originado do choque do arco, como se pensava anteriormente. Se os elétrons foram acelerados no choque de arco, eles teriam uma direção de movimento preferida e localização - em linha com o campo magnético e se afastando do choque de arco em uma pequena região específica. No entanto, os elétrons observados estavam se movendo em todas as direções, não apenas ao longo das linhas de campo magnético.

Além disso, o choque do arco só pode produzir energias em cerca de um décimo das energias dos elétrons observados. Em vez disso, a causa da aceleração dos elétrons foi encontrada dentro da própria região de preensão.

"Parece sugerir que coisas de escala incrivelmente pequena estão fazendo isso porque o material em grande escala não pode explicá-lo", disse Wilson.

As partículas de alta energia têm sido observadas na região do foreshock por mais de 50 anos, mas até agora, ninguém tinha visto os elétrons de alta energia originarem dentro da região do foreshock. Isto é parcialmente devido à curta escala de tempo em que os elétrons são acelerados, como observações anteriores tinham média de vários minutos, o que pode ter escondido qualquer evento. THEMIS reúne observações muito mais rapidamente, tornando-o exclusivamente capaz de ver as partículas.

Em seguida, os pesquisadores pretendem reunir mais observações da THEMIS para determinar o mecanismo específico por trás da aceleração dos elétrons.

A imagem da NASA na parte superior da página mostra as correias de radiação de Van Allen mostrando as linhas de campo magnético da Terra ea localização das correias de radiação.

O Galaxy Diário via NASA / Goddard Space Flight Center