Vandaag honderd jaar geleden, op 29 mei, 1919, metingen van een zonsverduistering boden verificatie voor Einsteins algemene relativiteitstheorie. Zelfs daarvoor, Einstein had de speciale relativiteitstheorie ontwikkeld, die een revolutie teweegbracht in de manier waarop we licht begrijpen. Tot op de dag van vandaag, het biedt richtlijnen om te begrijpen hoe deeltjes door de ruimte bewegen - een belangrijk onderzoeksgebied om ruimtevaartuigen en astronauten te beschermen tegen straling.

De speciale relativiteitstheorie toonde aan dat lichtdeeltjes, fotonen, reizen door een vacuüm in een constant tempo van 670, 616, 629 mijl per uur - een snelheid die enorm moeilijk te bereiken en onmogelijk te overtreffen is in die omgeving. Maar door de hele ruimte, van zwarte gaten tot onze nabije aarde, deeltjes zijn, in feite, worden versneld tot ongelooflijke snelheden, sommigen halen zelfs 99,9% van de lichtsnelheid.

Een van de taken van NASA is om beter te begrijpen hoe deze deeltjes worden versneld. Deze supersnel bestuderen, of relativistisch, deeltjes kunnen uiteindelijk helpen bij het beschermen van missies die het zonnestelsel verkennen, reizen naar de maan, en ze kunnen ons meer leren over onze galactische omgeving:een goed gericht deeltje met bijna de lichtsnelheid kan aan boord van de elektronica trippen en te veel tegelijk kan negatieve stralingseffecten hebben op ruimtevarende astronauten terwijl ze naar de maan reizen - of verder.

Hier zijn drie manieren waarop versnelling plaatsvindt.

1. Elektromagnetische velden

De meeste processen die deeltjes tot relativistische snelheden versnellen, werken met elektromagnetische velden - dezelfde kracht die magneten op uw koelkast houdt. De twee componenten, elektrische en magnetische velden, als twee kanten van dezelfde medaille, werken samen om deeltjes met relativistische snelheden door het universum te zwaaien.

In essentie, elektromagnetische velden versnellen geladen deeltjes omdat de deeltjes een kracht voelen in een elektromagnetisch veld die hen voortstuwt, vergelijkbaar met hoe de zwaartekracht aan objecten met massa trekt. Onder de juiste omstandigheden elektromagnetische velden kunnen deeltjes met bijna de lichtsnelheid versnellen.

Op aarde, elektrische velden worden vaak specifiek ingezet op kleinere schaal om deeltjes in laboratoria te versnellen. Deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider en Fermilab, gebruik gepulste elektromagnetische velden om geladen deeltjes te versnellen tot 99,99999896% van de lichtsnelheid. Bij deze snelheden de deeltjes kunnen tegen elkaar worden geslagen om botsingen te veroorzaken met enorme hoeveelheden energie. Hierdoor kunnen wetenschappers naar elementaire deeltjes zoeken en begrijpen hoe het universum eruitzag in de allereerste fracties van een seconde na de oerknal.

2. Magnetische explosies

Magnetische velden zijn overal in de ruimte, die de aarde omspannen en het zonnestelsel overspannen. Ze geleiden zelfs geladen deeltjes die door de ruimte bewegen, die rond de velden cirkelen.

Wanneer deze magnetische velden in elkaar overlopen, ze kunnen verstrikt raken. Als de spanning tussen de gekruiste lijnen te groot wordt, de lijnen breken explosief en worden opnieuw uitgelijnd in een proces dat bekend staat als magnetische herverbinding. De snelle verandering in het magnetische veld van een regio creëert elektrische velden, waardoor alle bijbehorende geladen deeltjes met hoge snelheden worden weggeslingerd. Wetenschappers vermoeden dat magnetische herverbinding een manier is waarop deeltjes, bijvoorbeeld de zonnewind, wat de constante stroom van geladen deeltjes van de zon is, wordt versneld tot relativistische snelheden.

Die snelle deeltjes creëren ook een verscheidenheid aan bijwerkingen in de buurt van planeten. Magnetische herverbinding vindt dicht bij ons plaats op punten waar het magnetische veld van de zon tegen de magnetosfeer van de aarde drukt - haar beschermende magnetische omgeving. Wanneer magnetische herverbinding plaatsvindt aan de kant van de aarde die van de zon af is gericht, de deeltjes kunnen in de bovenste atmosfeer van de aarde worden geslingerd, waar ze de aurora's aanwakkeren. Magnetische herverbinding wordt ook verantwoordelijk geacht rond andere planeten zoals Jupiter en Saturnus, zij het op iets andere manieren.

NASA's Magnetospheric Multiscale-ruimtevaartuig is ontworpen en gebouwd om zich te concentreren op het begrijpen van alle aspecten van magnetische herverbinding. Met behulp van vier identieke ruimtevaartuigen, de missie vliegt rond de aarde om magnetische herverbinding in actie te vangen. De resultaten van de geanalyseerde gegevens kunnen wetenschappers helpen de versnelling van deeltjes met relativistische snelheden rond de aarde en in het universum te begrijpen.

3. Golf-deeltje interacties

Deeltjes kunnen worden versneld door interacties met elektromagnetische golven, golf-deeltje interacties genoemd. Wanneer elektromagnetische golven botsen, hun velden kunnen worden gecomprimeerd. Geladen deeltjes die heen en weer tussen de golven stuiteren, kunnen energie krijgen die vergelijkbaar is met een bal die tussen twee samensmeltende muren stuitert.

Dit soort interacties vinden voortdurend plaats in de ruimte nabij de aarde en zijn verantwoordelijk voor het versnellen van deeltjes tot snelheden die elektronica op ruimtevaartuigen en satellieten in de ruimte kunnen beschadigen. NASA-missies, zoals de Van Allen-sondes, helpen wetenschappers golf-deeltjesinteracties te begrijpen.

Er wordt ook gedacht dat interacties tussen golven en deeltjes verantwoordelijk zijn voor het versnellen van sommige kosmische stralen die hun oorsprong vinden buiten ons zonnestelsel. Na een supernova-explosie, een heet, een dichte schil van gecomprimeerd gas, een explosiegolf genaamd, wordt weggeslingerd van de stellaire kern. Gevuld met magnetische velden en geladen deeltjes, Golf-deeltjesinteracties in deze bellen kunnen hoogenergetische kosmische straling lanceren met 99,6% van de lichtsnelheid. Interacties tussen golven en deeltjes kunnen ook gedeeltelijk verantwoordelijk zijn voor het versnellen van de zonnewind en kosmische straling van de zon.