O brilho estranho e infernal vindo da Lua pode parecer irreal nessa imagem, já que é invisível aos nossos olhos. Mas instrumentos que detectam raios gama nos dizem que é real. Mais do que apenas uma imagem granulada, vermelha, é um lembrete vívido de que há mais coisas acontecendo do que os olhos humanos.
É também um lembrete de que qualquer humano que visite a Lua precisa ser protegido dessa radiação de alta energia.
De Raios Cósmicos a Raios Gama
O Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi da NASA capturou essas imagens dos raios gama da Lua. Nesta parte do espectro eletromagnético, a Lua é realmente mais brilhante que o Sol. Isso porque o Sol produz a maior parte de sua energia em outras partes do espectro, embora emita alguns raios gama, especialmente durante as explosões solares.
A maioria dos raios gama no nosso Sistema Solar vem de fontes distantes como quasares e núcleos ativos de galáxias (AGN.) A Lua é uma fonte indireta de radiação gama e produz raios gama através de sua interação com os raios cósmicos.
Os raios cósmicos são um tipo de radiação de alta energia que, na maior parte, é produzida fora do nosso Sistema Solar. Eles são produzidos por coisas como supernovas e núcleos galácticos ativos. Quando os raios cósmicos atingem a matéria, como a superfície da Lua, neste caso, eles criam raios gama.
O conceito de artista de um núcleo galáctico ativo que hospeda um blazar energético. Os núcleos galácticos ativos são uma fonte de raios cósmicos. Quando esses raios atingem a Lua, raios gama são criados. Crédito: NASA / Goddard Space Flight Center Laboratório de Imagens Conceituais.
Dois cientistas do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, Mario Nicola Mazziotta e Francesco Loparco, estudam a radiação gama da Lua como meio de entender os raios cósmicos. Os raios cósmicos são partículas em movimento rápido, e eles obtêm sua aceleração de suas fontes, como as supernovas e AGN mencionadas acima.
"Os raios cósmicos são principalmente prótons acelerados por alguns dos fenômenos mais enérgicos do universo, como as ondas explosivas de estrelas explodindo e jatos produzidos quando a matéria cai em buracos negros", explicou Mazziotta em um comunicado de imprensa da NASA .
As partículas que compõem os raios cósmicos são eletricamente carregadas. Quando atingem um campo magnético, como a magnetosfera da Terra, são na maior parte desviados. Mas a Lua não possui um campo magnético. Como resultado, mesmo os mais fracos raios cósmicos atingem diretamente a superfície da Lua, e isso produz raios gama. A Lua realmente absorve a maior parte dos raios gama que cria, mas alguns escapam para o espaço.
E o Telescópio Fermi pode vê-los, transformando a Lua em uma espécie de detector de partículas inadvertido.
O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi (FGRST) está em funcionamento há 11 anos. Mazziotta e Loparco estudaram imagens da Lua a partir do comprimento da missão do telescópio e, ao longo desse tempo, a visão melhorou.
“… A Lua nunca passaria pelo seu ciclo mensal de fases e ficaria sempre cheia”.
Francesco Loparco, Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália.
A força dos raios gama da Lua nem sempre é consistente. Isso varia com o tempo. Mazziotta e Loparco reuniram dados dos raios gama da Lua que ultrapassaram 31 milhões de elétron-volts, 10 milhões de vezes mais poderosos que a luz visível, e os organizaram ao longo do tempo. Isso resultou na imagem a seguir, que mostra a exibição melhorando ao longo do tempo.
Estas imagens mostram a visão cada vez melhor do brilho de raios gama da Lua do Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi da NASA. Cada imagem de 5 a 5 graus é centralizada na Lua e mostra raios gama com energias acima de 31 milhões de elétron-volts, ou dezenas de milhões de vezes a da luz visível. Nestas energias, a Lua é realmente mais brilhante que o Sol. Cores mais brilhantes indicam maior número de raios gama. Esta seqüência de imagens mostra como a exposição mais longa, variando de dois a 128 meses (10,7 anos), melhorou a visão.
Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Colaboração
“Visto nessas energias, a Lua nunca passaria pelo seu ciclo mensal de fases e ficaria sempre cheia”, disse Loparco.
O fato de a Lua emitir esses raios gama é um aviso. O Artemis Program da NASA verá mais astronautas na Lua por períodos potencialmente mais longos do que outras missões da Lua. Eles terão que ser protegidos tanto dos raios cósmicos que atingem a Lua, quanto dos raios gama da Lua que resultam.
Uma Interação Complexa
A interação entre raios cósmicos, raios gama, a Lua e o Sol pode ser complexa. Os raios gama podem ter diferentes níveis de energia. Por exemplo, essas imagens do FGRST captam apenas raios gama que ultrapassaram 31 milhões de elétron-volts (MeV) em certa quantidade. Mas os raios gama podem ser muito mais energéticos do que isso, e podem estar nos bilhões ou até trilhões de MeVs.
O Observatório Espacial de Raios Gama Fermi não é o único observatório a ver a radiação gama da Lua. O Observatório de Raios Gama Compton capturou esta imagem dos raios gama da Lua. Crédito de imagem: Por DJ Thompson, por DL Bertsch (NASA / GSFC), por DJ Morris (UNH), por R. Mukherjee (NASA / GSFC / USRA)
Domínio Público, - Wikimedia commons
Como a carga elétrica dos raios cósmicos significa que eles podem ser desviados por campos magnéticos, e o Sol tem um campo magnético poderoso, somente os mais poderosos podem atingir o Sol. Por sua vez, esses poderosos raios cósmicos atingem a parte densa da atmosfera do Sol e criam raios gama muito poderosos. Então o Sol é realmente mais brilhante em raios gama acima de 1 bilhão de elétron-volts do que a Lua é.
O ciclo de 11 anos do Sol também afeta os raios cósmicos que atingem a Lua e os raios gama que resultam. Durante esse ciclo, o Sol experimenta variações em seu campo magnético. Como resultado, às vezes mais raios cósmicos atingem a Lua do que outras vezes. Essa variabilidade nos raios cósmicos que atingem a superfície lunar cria uma variabilidade nos raios gama lunares. De acordo com os dados do Fermi, pode variar em 20%.
Campo magnético do Sol varia em força e complexidade durante seu ciclo de 11 anos. Esta comparação mostra a complexidade relativa do campo magnético solar entre janeiro de 2011 (esquerda) e julho de 2014. Em janeiro de 2011, três anos após o mínimo solar, o campo ainda é relativamente simples, com linhas de campo abertas concentradas perto dos pólos. No máximo solar, em julho de 2014, a estrutura é muito mais complexa, com linhas de campo fechadas e abertas aparecendo por toda parte.
Raios gama provenientes da Lua e os raios cósmicos que os causam, ambos representam uma ameaça para os astronautas, porque ambos são radiação ionizante com grande poder de penetração. É preciso muita proteção para evitar que eles atinjam astronautas. Materiais com alto número atômico são escudos efetivos. O chumbo (número atômico 82) é um bom escudo porque também é muito denso.
Para raios gama de energia mais baixa, o risco para os astronautas é devido à exposição ao longo do tempo. Pense em um técnico de raio-x em comparação a um paciente de raio-x. A exposição da vida do paciente aos raios X não é muito alta, portanto o paciente aceita o risco. Para o técnico, no entanto, as coisas são diferentes. Eles são expostos a cada dia de trabalho, então eles saem da sala e são protegidos dos raios X por materiais como o chumbo.
É semelhante para os astronautas. Quanto mais tempo eles passam na Lua em um ambiente de raios gama / raio cósmico, mais eles precisam limitar sua exposição. Não apenas por proteção, mas pelo tempo.
Tentando entender o ambiente de radiação da lua
Estes dados do Telescópio Espacial Fermi Gamma-Ray estão ajudando os cientistas a entender o risco de raios gama / raios cósmicos na Lua. Se há momentos em que a Lua emite 20% menos radiação gama por causa do ciclo de 11 anos do Sol, então pode ser sensato fazer uso desse tempo.
Se víssemos o céu em raios gama, da mesma forma que o Telescópio Espacial Fermi, seria irreconhecível. Esta imagem foi construída a partir de seis anos de observações de Fermi. Ele mostra o céu inteiro em energias entre 50 bilhões (GeV) e 2 trilhões de elétron volts (TeV). A faixa brilhante no meio é o plano central da Via Láctea. Algumas das fontes mais brilhantes são nebulosas de vento pulsar e remanescentes de supernova dentro de nossa galáxia, bem como galáxias distantes chamadas de blazares alimentados por buracos negros supermassivos. As etiquetas mostram as fontes de energia mais altas, todas localizadas dentro da nossa galáxia e emitindo raios gama que excedem 1 TeV. Crédito de imagem: Colaboração NASA / DOE / Fermi LAT
A exposição à radiação é uma das principais barreiras para viagens espaciais e missões espaciais a longo prazo. A magnetosfera e a atmosfera da Terra são ambos escudos de radiação. Mas mesmo em órbita terrestre baixa, os astronautas correm o risco de se expor a uma radiação maior.
Se vamos ter uma presença humana na Lua, é imperativo que entendamos o ambiente de radiação lá. A NASA tem analisado o ambiente de radiação lunar já em 2005, em antecipação a um posto avançado humano na Lua. Quando lançaram o Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) em 2009, ele continha um instrumento chamado Telescópio de Raios Cósmicos para os Efeitos da Radiação (CRaTER).
O trabalho de CRaTER é caracterizar o ambiente de radiação da Lua e o impacto biológico que isso terá sobre os astronautas. Utiliza plásticos para imitar o tecido humano e os colocou atrás de diferentes materiais de proteção. Na época, Harlan Spence, o investigador principal CRaTER disse: "Não apenas mediremos a radiação, usaremos plásticos que imitam o tecido humano para ver como essas partículas altamente energéticas penetram e interagem com o corpo humano".
As imagens Fermi dos raios gama da Lua são outra peça do quebra-cabeça da radiação. E esse é um enigma que precisa ser resolvido antes que haja uma esperança realista de uma base lunar de longo prazo, ou missões tripuladas para Marte.
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