Tre måder at rejse med (næsten) lysets hastighed

For hundrede år siden i dag, den 29. maj, 1919, målinger af en solformørkelse tilbød verifikation af Einsteins teori om generel relativitet. Selv før det, Einstein havde udviklet teorien om særlig relativitet, som revolutionerede den måde, vi forstår lys. Til denne dag, den giver vejledning i at forstå, hvordan partikler bevæger sig gennem rummet - et centralt forskningsområde for at holde rumfartøjer og astronauter beskyttet mod stråling.

Teorien om særlig relativitetsteori viste, at lyspartikler, fotoner, rejse gennem et vakuum i et konstant tempo på 670, 616, 629 miles i timen - en hastighed, der er uhyre vanskelig at opnå og umulig at overgå i det miljø. Men alligevel på tværs af rummet, fra sorte huller til vores nærjordiske miljø, partikler er, faktisk, accelereres til utrolige hastigheder, nogle når endda 99,9% lysets hastighed.

Et af NASAs job er at bedre forstå, hvordan disse partikler accelereres. Studerer disse superhurtige, eller relativistisk, partikler kan i sidste ende hjælpe med at beskytte missioner, der udforsker solsystemet, rejser til månen, og de kan lære os mere om vores galaktiske kvarter:En velorienteret nærhastighedspartikel kan snuble ombord på elektronik, og for mange på én gang kan have negative strålingseffekter på rumfart astronauter, når de rejser til månen-eller videre.

Her er tre måder, hvorpå acceleration sker.

1. Elektromagnetiske felter

De fleste processer, der fremskynder partikler til relativistiske hastigheder, arbejder med elektromagnetiske felter - den samme kraft, der holder magneter på dit køleskab. De to komponenter, elektriske og magnetiske felter, som to sider af den samme mønt, arbejde sammen om at piske partikler med relativistiske hastigheder i hele universet.

I det væsentlige, elektromagnetiske felter fremskynder ladede partikler, fordi partiklerne føler en kraft i et elektromagnetisk felt, der skubber dem sammen, ligner, hvordan tyngdekraften trækker i genstande med masse. Under de rigtige forhold, elektromagnetiske felter kan accelerere partikler ved nær lyshastighed.

På jorden, elektriske felter bruges ofte specifikt på mindre skalaer for at fremskynde partikler i laboratorier. Partikelacceleratorer, ligesom Large Hadron Collider og Fermilab, brug pulserede elektromagnetiske felter til at accelerere ladede partikler op til 99,9999896% lysets hastighed. Ved disse hastigheder, partiklerne kan smadres sammen for at producere kollisioner med enorme mængder energi. Dette gør det muligt for forskere at lede efter elementarpartikler og forstå, hvordan universet var i de allerførste brøkdele af et sekund efter Big Bang.

2. Magnetiske eksplosioner

Magnetiske felter er overalt i rummet, omkranser Jorden og spænder over solsystemet. De guider endda ladede partikler, der bevæger sig gennem rummet, som spiraler rundt på markerne.

Når disse magnetfelter løber ind i hinanden, de kan blive sammenfiltrede. Når spændingen mellem de krydsede linjer bliver for stor, linjer eksploderer eksplosivt og justerer i en proces, der kaldes magnetisk genforbindelse. Den hurtige ændring i en regions magnetfelt skaber elektriske felter, hvilket får alle de ledsagende ladede partikler til at blive slynget væk ved høje hastigheder. Forskere formoder, at magnetisk genforbindelse er en måde, hvorpå partikler - f.eks. solvinden, som er den konstante strøm af ladede partikler fra solen - accelereres til relativistiske hastigheder.

Disse hurtige partikler skaber også en række bivirkninger nær planeter. Magnetisk genforbindelse sker tæt på os på punkter, hvor solens magnetfelt skubber mod Jordens magnetosfære - dets beskyttende magnetiske miljø. Når magnetisk genforbindelse sker på den side af jorden, der vender væk fra solen, partiklerne kan slynges ind i Jordens øvre atmosfære, hvor de gnister aurorerne. Magnetisk genforbindelse menes også at være ansvarlig omkring andre planeter som Jupiter og Saturn, dog på lidt forskellige måder.

NASA's Magnetospheric Multiscale rumfartøjer blev designet og bygget for at fokusere på at forstå alle aspekter af magnetisk genforbindelse. Ved hjælp af fire identiske rumfartøjer, missionen flyver rundt om Jorden for at fange magnetisk genforbindelse i aktion. Resultaterne af de analyserede data kan hjælpe forskere med at forstå partikelacceleration ved relativistiske hastigheder rundt om Jorden og på tværs af universet.

3. Interaktioner mellem bølger og partikler

Partikler kan accelereres ved interaktioner med elektromagnetiske bølger, kaldet bølge-partikel interaktioner. Når elektromagnetiske bølger støder sammen, deres felter kan blive komprimeret. Ladede partikler, der hopper frem og tilbage mellem bølgerne, kan få energi, der ligner en kugle, der hopper mellem to fusionerende vægge.

Disse former for interaktioner forekommer konstant i rummet nær jorden og er ansvarlige for at accelerere partikler til hastigheder, der kan beskadige elektronik på rumfartøjer og satellitter i rummet. NASA -missioner, ligesom Van Allen Probes, hjælpe forskere med at forstå bølge-partikel interaktioner.

Bølge-partikelinteraktioner menes også at være ansvarlige for at accelerere nogle kosmiske stråler, der stammer uden for vores solsystem. Efter en supernovaeksplosion, en varm, tæt skal af komprimeret gas kaldet en eksplosionsbølge skubbes væk fra stjernekernen. Fyldt med magnetfelter og ladede partikler, bølge-partikel interaktioner i disse bobler kan udsende kosmiske stråler med høj energi ved 99,6% lysets hastighed. Bølge-partikelinteraktioner kan også være delvist ansvarlige for at accelerere solvinden og kosmiske stråler fra solen.