Nossos aceleradores de partículas mais poderosos imitam velocidades próximas à da luz de partículas cósmicas. Mas nenhuma atualização poderá ser capaz de replicar a extrema complexidade dos objetos mais violentos do universo. Para compreender estes ambientes, os astrónomos estão a usar planetas inteiros como laboratórios naturais, incluindo a tumultuada magnetosfera de Júpiter.
Em um artigo da Nature publicado hojeos pesquisadores descrevem como os elétrons aceleram até perto da velocidade da luz a montante do choque em arco de Júpiter. O arco de choque é uma região de intensas mudanças de densidade e pressão criadas quando a magnetosfera do planeta colide com o vento solar. Após uma inspeção mais detalhada, a equipe descobriu que uma zona turbulenta chamada foreshock forma grandes aceleradores de partículas que ocorrem naturalmente e que superam as forças na fronteira de choque. É importante ressaltar que o mesmo processo parece ser aplicável a escalas cósmicas, muito além do nosso sistema solar.
“Pegamos um mecanismo que demonstramos na Terra, encontramos um análogo claro em Júpiter e mostramos que a física subjacente se generaliza”, Savvas Raptiso primeiro autor do estudo e pesquisador do Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins, disse ao Gizmodo. “Isso sugere que a física que podemos medir em nosso próprio planeta pode governar como os raios cósmicos – partículas que bombardeiam constantemente a Terra – obtêm sua energia em alguns dos objetos mais violentos do universo.”
Colisões vazias
Comparado com a densa atmosfera da Terra, o espaço é relativamente vazio. Como resultado, as partículas interagem através de campos eletromagnéticos através de choques “sem colisão” que existem em todo o lado, desde planetas magnetizados a cometas e remanescentes de supernovas, e em jatos girando em torno de estrelas jovens, explicou Raptis. Quando fluxos supersônicos como o vento solar atingem o campo magnético de um planeta, os choques sem colisão resultantes assumem a forma da proa de um navio – daí o termo “choque de proa”.
Em trabalhos anteriores, Raptis e colegas descobriram que estes choques em arco na Terra são, na verdade, muito bons na aceleração de partículas. Naturalmente, a equipa queria saber se isto também era verdade para outros planetas e, em caso afirmativo, se seria possível formular um modelo para a física de partículas extremas aplicável ao cosmos maior.
Muito chocante
De acordo com Raptis, observações diretas de choques sem colisão são difíceis porque “você precisa de uma espaçonave exatamente no lugar certo, na hora certa”. Quanto a objetos mais distantes, como remanescentes de supernovas, só podemos inferir o que aconteceu através de dados do telescópio sobre radiação de raios X ou raios gama, disse ele. Nesse sentido, a equipe teve sorte. da NASA Juno a espaçonave apresentava dois instrumentos –JEDI e JADE—capaz de enviar informações valiosas sobre a velocidade, direção do fluxo e número de elétrons e íons girando em torno de Júpiter.
Para surpresa da equipe, os dados não seguiram exatamente o quadro “padrão”, que prevê que a maior parte da ação ocorre no limite do choque de proa. Em vez disso, as partículas no choque anterior continuaram a saltar para a frente e para trás, tornando-se mais energéticas a cada passagem, até que algumas atingiram velocidades relativísticas.
“Tínhamos visto indícios disso na Terra, mas Júpiter tornou isso inequívoco”, disse Raptis. “Essas estruturas transitórias a montante dos choques podem ser os impulsionadores dominantes da aceleração de partículas em ambientes muito mais extremos do que o nosso planeta.”
Uma extensão cósmica
Talvez o mais importante seja o facto de a equipa ter construído um modelo que poderia ser aplicado a fenómenos semelhantes em todo o Universo – um “passo ousado” que “unificaria a física de aceleração de choque em escalas que diferem em quase dez ordens de grandeza”, escreveu Martin E. Pessah, investigador da Universidade de Copenhaga, na Dinamarca, não envolvido no trabalho, num documento News & Views que acompanha o estudo.
“A conexão assenta em três pilares”, explicou Raptis. Primeiro, a física dos choques sem colisão – quer ocorram em torno de supernovas distantes ou da Terra e de Júpiter – é governada pelos mesmos processos. Em segundo lugar, existem factores ambientais tipicamente semelhantes. Finalmente, os choques astrofísicos são “muito mais fortes” do que os choques planetários e são, na verdade, mais capazes de suportar grandes estruturas para transientes que conduzem partículas, disse ele.
“Extrapolar um modelo é sempre arriscado” Filipe Valekpesquisador do Southwest Research Institute que não esteve envolvido no novo trabalho, disse ao Gizmodo. Valek, que servido como líder do instrumento JADE, observou que as previsões, no entanto, parecem “concordar notavelmente bem para jatos protoestelares e remanescentes de supernovas”.
Pessah acrescentou que os astrónomos ainda não compreenderam totalmente os ambientes físicos próximos dos exoplanetas quentes de Júpiter, por isso resta saber se a proposta dos autores também se poderá aplicar a estes sistemas.
Nosso grande vizinho
Raptis está plenamente consciente destas preocupações, pois referiu ao Gizmodo os desafios óbvios de enviar naves espaciais para remanescentes de supernovas. Mas a consistência interna do quadro “dá-nos motivos para o levarmos a sério”, disse ele.
E tanto a Europa Clipper como a Juice – actualmente a caminho de Júpiter – transportam instrumentos relevantes que atravessarão o arco de choque de Júpiter em várias fases das suas respectivas missões. Raptis e colegas pretendem prestar muita atenção aos dados enviados por estas naves espaciais.
Dito isto, as descobertas dizem algo sobre o valor das naves espaciais destinadas a sondar a nossa própria vizinhança cósmica, disse Raptis. É claro que os astrónomos sabem como não estender precipitadamente as observações locais ao universo maior, mas a simples proximidade de qualquer coisa no sistema solar dá-nos uma rara oportunidade de medir diretamente processos importantes.
“É isso que torna as observações das naves espaciais tão valiosas: o nosso sistema solar torna-se um laboratório onde podemos ver estes processos desenrolarem-se de perto”, disse ele. “Cada missão que realizamos, em qualquer planeta, é uma oportunidade de aprender algo não apenas sobre a nossa vizinhança, mas também sobre como o universo funciona.”
