Cento anni fa oggi, il 29 maggio, 1919, le misurazioni di un'eclissi solare hanno offerto la verifica della teoria della relatività generale di Einstein. Anche prima di ciò, Einstein aveva sviluppato la teoria della relatività speciale, che ha rivoluzionato il nostro modo di intendere la luce. Fino ad oggi, fornisce una guida per comprendere come le particelle si muovono attraverso lo spazio, un'area di ricerca chiave per mantenere i veicoli spaziali e gli astronauti al sicuro dalle radiazioni.

La teoria della relatività speciale ha mostrato che le particelle di luce, fotoni, viaggiare nel vuoto a un ritmo costante di 670, 616, 629 miglia all'ora, una velocità immensamente difficile da raggiungere e impossibile da superare in quell'ambiente. Eppure in tutto lo spazio, dai buchi neri al nostro ambiente vicino alla Terra, le particelle sono, infatti, essere accelerato a velocità incredibili, alcuni raggiungono addirittura il 99,9% della velocità della luce.

Uno dei compiti della NASA è capire meglio come queste particelle vengono accelerate. Studiando questi superveloci, o relativistico, le particelle possono in definitiva aiutare a proteggere le missioni che esplorano il sistema solare, in viaggio verso la luna, e possono insegnarci di più sul nostro vicinato galattico:una particella ben mirata vicina alla velocità della luce può inciampare a bordo dell'elettronica e troppe contemporaneamente potrebbero avere effetti negativi sulle radiazioni sugli astronauti che viaggiano nello spazio mentre viaggiano verso la Luna o oltre.

Ecco tre modi in cui avviene l'accelerazione.

1. Campi elettromagnetici

La maggior parte dei processi che accelerano le particelle a velocità relativistiche funzionano con i campi elettromagnetici, la stessa forza che mantiene i magneti sul frigorifero. Le due componenti, campi elettrici e magnetici, come due facce della stessa medaglia, lavorano insieme per sbattere le particelle a velocità relativistiche in tutto l'universo.

In sostanza, i campi elettromagnetici accelerano le particelle cariche perché le particelle sentono una forza in un campo elettromagnetico che le spinge avanti, simile a come la gravità attira gli oggetti con massa. Nelle giuste condizioni, i campi elettromagnetici possono accelerare le particelle a velocità prossime alla luce.

Sulla terra, i campi elettrici sono spesso sfruttati in modo specifico su scale più piccole per accelerare le particelle nei laboratori. acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider e il Fermilab, utilizzare campi elettromagnetici pulsati per accelerare le particelle cariche fino al 99,99999896% della velocità della luce. A queste velocità, le particelle possono essere frantumate insieme per produrre collisioni con immense quantità di energia. Ciò consente agli scienziati di cercare particelle elementari e capire com'era l'universo nelle primissime frazioni di secondo dopo il Big Bang.

2. Esplosioni magnetiche

I campi magnetici sono ovunque nello spazio, che circonda la Terra e abbraccia il sistema solare. Guidano persino le particelle cariche che si muovono nello spazio, che girano a spirale intorno ai campi.

Quando questi campi magnetici si incontrano, possono aggrovigliarsi. Quando la tensione tra le linee incrociate diventa troppo grande, le linee si spezzano in modo esplosivo e si riallineano in un processo noto come riconnessione magnetica. Il rapido cambiamento nel campo magnetico di una regione crea campi elettrici, che fa sì che tutte le relative particelle cariche vengano scagliate via ad alta velocità. Gli scienziati sospettano che la riconnessione magnetica sia un modo in cui le particelle, ad esempio, il vento solare, che è il flusso costante di particelle cariche dal sole, viene accelerato a velocità relativistiche.

Quelle particelle veloci creano anche una varietà di effetti collaterali vicino ai pianeti. La riconnessione magnetica avviene vicino a noi nei punti in cui il campo magnetico del sole spinge contro la magnetosfera terrestre, il suo ambiente magnetico protettivo. Quando si verifica la riconnessione magnetica sul lato della Terra rivolto verso il sole, le particelle possono essere scagliate nell'atmosfera superiore della Terra dove innescano le aurore. Si pensa che la riconnessione magnetica sia responsabile anche di altri pianeti come Giove e Saturno, anche se in modi leggermente diversi.

I veicoli spaziali Magnetospheric Multiscale della NASA sono stati progettati e costruiti per concentrarsi sulla comprensione di tutti gli aspetti della riconnessione magnetica. Utilizzando quattro veicoli spaziali identici, la missione vola intorno alla Terra per catturare la riconnessione magnetica in azione. I risultati dei dati analizzati possono aiutare gli scienziati a comprendere l'accelerazione delle particelle a velocità relativistiche intorno alla Terra e attraverso l'universo.

3. Interazioni onda-particella

Le particelle possono essere accelerate dalle interazioni con le onde elettromagnetiche, chiamate interazioni onda-particella. Quando le onde elettromagnetiche si scontrano, i loro campi possono essere compressi. Le particelle cariche che rimbalzano avanti e indietro tra le onde possono guadagnare energia simile a una palla che rimbalza tra due pareti che si fondono.

Questi tipi di interazioni si verificano costantemente nello spazio vicino alla Terra e sono responsabili dell'accelerazione delle particelle a velocità che possono danneggiare l'elettronica dei veicoli spaziali e dei satelliti nello spazio. missioni della NASA, come le sonde di Van Allen, aiutare gli scienziati a comprendere le interazioni onda-particella.

Si ritiene inoltre che le interazioni onda-particella siano responsabili dell'accelerazione di alcuni raggi cosmici che hanno origine al di fuori del nostro sistema solare. Dopo l'esplosione di una supernova, un caldo, denso guscio di gas compresso chiamato onda d'urto viene espulso dal nucleo stellare. Pieno di campi magnetici e particelle cariche, le interazioni onda-particella in queste bolle possono lanciare raggi cosmici ad alta energia al 99,6% della velocità della luce. Le interazioni onda-particella possono anche essere parzialmente responsabili dell'accelerazione del vento solare e dei raggi cosmici dal sole.