Um dos pontos turísticos mais belos de tirar o fôlego que nossos céus podem reunir é o brilho dançante das luzes aurorais. No entanto, este fenômeno fascinante ainda não é totalmente compreendido.

Crédito da imagem: Jean Beaufort, domínio público CC0

Veja também:

• 10 coisas surpreendentes que você deve saber sobre a física quântica
• Como funciona o tempo?
• Quem inventou o Telescópio?
• Astrônomo revela detalhes nunca antes vistos do centro de nossa galáxia

Sabemos que é produzido por partículas sopradas de tempestades solares, aceleradas ao longo das linhas do campo magnético da Terra para as latitudes mais altas, onde chovem na alta atmosfera. Lá, as interações com as partículas na atmosfera geram cortinas de luz que brilham no céu.

Agora, pela primeira vez, os cientistas demonstraram e confirmaram o mecanismo pelo qual ocorre a aceleração das partículas - replicando o processo em um laboratório. Assim como os cientistas pensavam, as ondas eletromagnéticas poderosas conhecidas como ondas de Alfvén aceleram os elétrons ao longo das linhas do campo magnético.

"A ideia de que essas ondas podem energizar os elétrons que criam a aurora remonta a mais de quatro décadas, mas esta é a primeira vez que conseguimos confirmar definitivamente que funciona", disse o físico Craig Kletzing, da Universidade de Iowa.

"Esses experimentos nos permitem fazer as medições-chave que mostram que as medições e a teoria do espaço explicam, de fato, a principal maneira pela qual as auroras são criadas."

Já sabemos das ondas de Alfvén há muito tempo. Elas foram descritas pela primeira vez pelo engenheiro elétrico sueco Hannes Alfvén em 1942 - ondas transversais em um fluido elétrico que se propagam ao longo das linhas do campo magnético. Essas ondas são um mecanismo importante para o transporte de energia e momento em sistemas magneto-hidrodinâmicos; ou seja, eles podem acelerar partículas.

Ondas Alfvén foram observadas nas linhas do campo magnético da Terra, e as naves espaciais até observaram ondas de Alfvén voltadas para a Terra acima das auroras. É amplamente aceito que as ondas de Alfvén desempenham um papel na aceleração do elétron auroral, mas determinar o papel exato tem sido um tanto complicado.

Assim, uma equipe de cientistas liderada pelo físico Jim Schroeder, do Wheaton College, usou o Large Plasma Device (LAPD) na Universidade da Califórnia em Los Angeles para examinar mais de perto o fenômeno. Esta é uma câmara de vácuo cilíndrica de 20 metros de comprimento (66 pés) e 1 metro (3,3 pés) de diâmetro, com um poderoso campo magnético.

"Este experimento desafiador exigiu uma medição da população muito pequena de elétrons movendo-se pela câmara LAPD quase na mesma velocidade que as ondas de Alfvén, numerando menos de um em mil dos elétrons no plasma", disse o físico Troy Carter, da UCLA.

A equipe gerou ondas de Alfvén no plasma no LAPD e mediu simultaneamente a distribuição da velocidade dos elétrons, em condições relevantes para a formação de auroras. Eles descobriram que as ondas de Alfvén transferiam energia para os elétrons com uma ressonância com as ondas, uma velocidade semelhante à velocidade de fase das ondas.

"Medições revelaram que essa pequena população de elétrons sofre 'aceleração ressonante' pelo campo elétrico da onda de Alfvén, semelhante a um surfista pegando uma onda e sendo continuamente acelerado conforme o surfista se move junto com a onda", disse o físico Greg Howes, da Universidade de Iowa.

Esse processo é conhecido como amortecimento de Landau, porque a transferência de energia da onda para a partícula amortece a onda, o que evita o surgimento de uma instabilidade. De acordo com a análise da equipe, a assinatura produzida pela velocidade do elétron era a assinatura conhecida para o amortecimento de Landau, indicando que a aceleração de ressonância havia ocorrido.

Comparando então seus resultados com um modelo de aurora, a equipe foi capaz de demonstrar que a taxa de energização dos elétrons era consistente com o amortecimento de Landau na coisa real.

" A concordância da taxa de energização por elétron entre o experimento e um modelo auroral", escreveram os pesquisadores, "estabelece a conexão final necessária para mostrar que fornecemos a confirmação experimental direta de que as ondas de Alfvén podem acelerar elétrons que precipitam na ionosfera e geram o brilho fascinante da aurora."

A pesquisa foi publicada em Nature Communications.

Referência:  

STARR, Michelle. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. Science Alert, 07, jun. 2021. Disponível em: <https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-lab-experiment-confirms-the-waves-that-cause-auroras>. Acesso em: 08, jun. 2021.