Il y a cent ans aujourd'hui, le 29 mai, 1919, les mesures d'une éclipse solaire ont permis de vérifier la théorie de la relativité générale d'Einstein. Même avant ça, Einstein avait développé la théorie de la relativité restreinte, qui a révolutionné notre compréhension de la lumière. À ce jour, il fournit des conseils pour comprendre comment les particules se déplacent dans l'espace, un domaine de recherche clé pour protéger les engins spatiaux et les astronautes des radiations.

La théorie de la relativité restreinte a montré que les particules de lumière, photons, voyager dans le vide à un rythme constant de 670, 616, 629 milles à l'heure, une vitesse extrêmement difficile à atteindre et impossible à surpasser dans cet environnement. Pourtant, partout dans l'espace, des trous noirs à notre environnement proche de la Terre, les particules sont, En réalité, étant accéléré à des vitesses incroyables, certains atteignant même 99,9% de la vitesse de la lumière.

L'une des missions de la NASA est de mieux comprendre comment ces particules sont accélérées. En étudiant ces ultra-rapides, ou relativiste, les particules peuvent finalement aider à protéger les missions d'exploration du système solaire, voyager sur la Lune, et ils peuvent nous en apprendre davantage sur notre voisinage galactique :une particule bien ciblée à une vitesse proche de la lumière peut trébucher à bord de l'électronique et trop de particules à la fois pourraient avoir des effets de rayonnement négatifs sur les astronautes spatiaux lorsqu'ils voyagent vers la Lune ou au-delà.

Voici trois façons dont l'accélération se produit.

1. Champs électromagnétiques

La plupart des processus qui accélèrent les particules à des vitesses relativistes fonctionnent avec des champs électromagnétiques, la même force qui maintient les aimants sur votre réfrigérateur. Les deux composants, champs électriques et magnétiques, comme les deux faces d'une même médaille, travailler ensemble pour fouetter les particules à des vitesses relativistes dans tout l'univers.

En substance, les champs électromagnétiques accélèrent les particules chargées parce que les particules ressentent une force dans un champ électromagnétique qui les pousse, similaire à la façon dont la gravité tire sur les objets avec une masse. Dans les bonnes conditions, les champs électromagnétiques peuvent accélérer les particules à une vitesse proche de la lumière.

Sur Terre, les champs électriques sont souvent spécifiquement exploités à plus petite échelle pour accélérer les particules dans les laboratoires. Accélérateurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons et le Fermilab, utiliser des champs électromagnétiques pulsés pour accélérer les particules chargées jusqu'à 99,99999896% de la vitesse de la lumière. A ces vitesses, les particules peuvent être écrasées ensemble pour produire des collisions avec d'immenses quantités d'énergie. Cela permet aux scientifiques de rechercher des particules élémentaires et de comprendre à quoi ressemblait l'univers dans les toutes premières fractions de seconde après le Big Bang.

2. Explosions magnétiques

Les champs magnétiques sont partout dans l'espace, encerclant la Terre et enjambant le système solaire. Ils guident même les particules chargées se déplaçant dans l'espace, qui s'enroulent autour des champs.

Lorsque ces champs magnétiques se rencontrent, ils peuvent s'emmêler. Lorsque la tension entre les lignes croisées devient trop importante, les lignes se cassent et se réalignent de manière explosive dans un processus connu sous le nom de reconnexion magnétique. Le changement rapide du champ magnétique d'une région crée des champs électriques, ce qui fait que toutes les particules chargées associées sont projetées à grande vitesse. Les scientifiques soupçonnent que la reconnexion magnétique est un moyen par lequel les particules, par exemple, le vent solaire, qui est le flux constant de particules chargées du soleil - est accéléré à des vitesses relativistes.

Ces particules rapides créent également une variété d'effets secondaires à proximité des planètes. La reconnexion magnétique se produit près de nous aux points où le champ magnétique du soleil pousse contre la magnétosphère terrestre, son environnement magnétique protecteur. Lorsque la reconnexion magnétique se produit du côté de la Terre opposé au soleil, les particules peuvent être projetées dans la haute atmosphère terrestre où elles déclenchent les aurores. On pense également que la reconnexion magnétique est responsable autour d'autres planètes comme Jupiter et Saturne, quoique de manière légèrement différente.

Les vaisseaux spatiaux magnétosphériques multi-échelles de la NASA ont été conçus et construits pour se concentrer sur la compréhension de tous les aspects de la reconnexion magnétique. À l'aide de quatre engins spatiaux identiques, la mission vole autour de la Terre pour capturer la reconnexion magnétique en action. Les résultats des données analysées peuvent aider les scientifiques à comprendre l'accélération des particules à des vitesses relativistes autour de la Terre et à travers l'univers.

3. Interactions onde-particule

Les particules peuvent être accélérées par des interactions avec des ondes électromagnétiques, appelées interactions onde-particule. Lorsque les ondes électromagnétiques entrent en collision, leurs champs peuvent devenir compressés. Les particules chargées qui rebondissent entre les vagues peuvent gagner de l'énergie semblable à une balle rebondissant entre deux murs fusionnants.

Ces types d'interactions se produisent constamment dans l'espace proche de la Terre et sont responsables de l'accélération des particules à des vitesses qui peuvent endommager l'électronique des engins spatiaux et des satellites dans l'espace. missions de la NASA, comme les sondes Van Allen, aider les scientifiques à comprendre les interactions onde-particule.

On pense également que les interactions onde-particule sont responsables de l'accélération de certains rayons cosmiques provenant de l'extérieur de notre système solaire. Après une explosion de supernova, un chaud, une enveloppe dense de gaz comprimé appelée onde de choc est éjectée du noyau stellaire. Rempli de champs magnétiques et de particules chargées, Les interactions onde-particule dans ces bulles peuvent lancer des rayons cosmiques de haute énergie à 99,6 % de la vitesse de la lumière. Les interactions onde-particule peuvent également être partiellement responsables de l'accélération du vent solaire et des rayons cosmiques du soleil.