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Estou louco ou essa estrela cadente fez barulho?


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            Por séculos, diversos observadores juram testemunhar algo que desafia a Física: no momento em que meteoros rasgam os céus, um barulho característico é ouvido praticamente ao mesmo tempo! Mas como seria isso possível? Ora, todos nós sabemos que a luz (do rastro luminoso do meteoro) viaja a uma velocidade acima de 1 milhão de vezes maior do que a do som no ar. Para exemplificar, é só lembrarmos dos raios durante tempestades: primeiro vemos o clarão e, só depois de algum, tempo ouvimos o trovão. Apesar de muitos céticos terem duvidado de tais barulhos emitidos pelos meteoros - mais conhecidos como 'estrelas cadentes' (O que é uma Estrela Cadente?) - ao longo dos anos, uma pesquisa feita por cientistas em 2002 e publicada na Nature confirmou pela primeira vez tais sinais sonoros a partir de uma chuva de meteoros. Então, voltemos à pergunta: como isso é possível?
   
Você já ouviu meteoros?

          Meteoros representam o brilho associado ao vapor de um meteoroide (corpo do meteoro). Existem meteoroides individuais (predominantemente, frações de asteroides) e chuvas de meteoros (estrelas cadentes) que ocorrem quando a Terra está cruzando a órbita de um cometa. Até várias centenas de meteoros por hora podem ser observados durante as chuvas de meteoros. Quando entram na atmosfera terrestre, colisões de átomos na ionosfera com corpos de meteoros levam à formação de um rastro luminoso contendo vapores de materiais desses meteoros, fragmentos do corpo de meteoro, e moléculas e átomos ionizados de gases atmosféricos e do material dos meteoros

          A luz visível, ou qualquer outra radiação eletromagnética, viaja, no vácuo, em sua velocidade máxima, ou seja, 299 792 458 m/s - aproximadamente 300 mil km/s. Já a sua velocidade em outros meios diminui timidamente, sendo que no ar ela cai muito pouco, ficando ainda acima de 299,7 mil km/s. Em outras palavras, para distâncias dentro do nosso planeta, a luz, praticamente, vai de um ponto ao outro de forma instantânea. Já o som propaga no ar em velocidades em torno de 340 m/s, dependendo da pressão e temperatura ambiente. Essa velocidade é alta, mas até mesmos várias aeronaves desenvolvidas pelo homem conseguem ultrapassá-la facilmente no ar, com alguns chegando a se movimentar 3 vezes mais rápido (O Senhor dos Céus: SR-71).

Após a descarga elétrica do raio de chuva aquecer o ar em volta, é gerado uma expansão do ar e ondas sonoras, estas as quais demorarão muito mais tempo para chegar até você do que a luz emitida durante o evento energético
 
            Portanto, fica óbvio perceber que a velocidade do som não chega aos pés das ondas eletromagnéticas (incluindo 'luz'). Geralmente, um meteoro queima e desintegra na atmosfera - gerando bastante energia térmica e luminosa por atrito e pressão do ar à sua frente - em altíssimas altitudes (80-120 km). Quando você vê um passar à noite no céu, você está muito longe dele. Portanto, era para, no máximo, só ouvirmos os barulhos gerados pelo choque no ar - caso tenham força suficiente para chegar até você - de 1,5 a 2 minutos depois! Mesmo minutos depois, no geral, a maior parte dos meteoros são inaudíveis por ondas sonoras normais vindas da compressão direta do ar à sua volta, por estarem muito longe, e nas raras vezes que isso ocorre, a pessoa precisa estar em regiões de alta altitude para percebê-las. E isso torna os misteriosos sons instantâneos gerados pelos meteoros ainda mais misteriosos.

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     HISTÓRIA

          Como já foi dito no início, muitas pessoas relatam ouvir os misteriosos barulhos no momento em que tais objetos passam no céu, algo que desafia a ciência. De fato, centenas de anos de história da nossa sociedade carregam vários observadores que juram ter ouvido estouros, assobios e zumbidos junto aos rastros luminosos dos meteoros. O italiano Germiniano Montanari foi o primeiro a notar e registrar tal fenômeno em 1676. Em 1714, após receber vários testemunhos parecidos, o astrônomo Edmond Halley concluiu que os mesmos eram apenas fruto da imaginação das pessoas, e que tal aberração não era possível aos olhos da Física. Mas em 1833, é famoso quando várias pessoas documentaram tais barulhos durante a espetacular chuva de meteoros de Leonid daquele ano, quando estima-se que houve 240 mil meteoros queimando pelos céus na região da América do Norte durante 9 horas. Aliás, sempre que um Leonid acontece, vários relatos surgem sobre os estranhos sinais sonoros.


          Até então, o fenômeno ficou confinado no campo das incertezas observacionais. Alguns cientistas acreditavam e outros não. Aqueles que ouviam, achavam que estavam tendo alucinações sonoras. Isso continuou até o ano de 2002, quando um grupo de cientistas confirmou o fenômeno em um estudo publicado no Journal of Geophysical Research. Tal estudo foi iniciado em 1998, quando pesquisadores da Sociedade de Física da Croácia e um membro da Universidade de Kentucky, Dejan Vinkovic - este o qual já perseguia o fenômeno há algum tempo, tendo coletado cerca de 700 relatos desses sinais sonoros -, tinham ido para um remoto deserto gelado na capital e maior cidade da Mongólia, Ulaanbaatar, para tentarem registrar tais supostos barulhos vindos dos meteoros. Em uma área livre de ruídos de fundo e interferência de rádio, eles conseguiram, finalmente, gravar os sinais de áudio e também ondas de rádio de baixa frequência disparado pela chuva de meteoros ligada ao Leonids daquele ano. Não existia mais dúvida: as estrelas cadentes estavam gerando barulho concorrente com o seu rastro luminoso!

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       HIPÓTESES

           Nesse sentido, considerando que os misteriosos sinais sonoros foram cientificamente confirmados, como explicar a origem dos mesmos? Estava claro para os cientistas que tais barulhos estavam sendo gerados por algum tipo de radiação eletromagnética, ou seja, da mesma natureza da luz visível que vemos no rastro dos meteoros. Em outras palavras, ambos tinham que ter a absurda velocidade próxima de 300 mil km/s para praticamente chegarem ao mesmo tempo no observador no chão e sensibilizar seus olhos e ouvidos. Porém, qual é essa radiação eletromagnética e como ela está sendo gerada durante o caminho do meteoro? Tal questão se mostrou desafiadora para os cientistas e até hoje não existe um consenso.

           Os sinais sonoros parecem surgir quando o brilho dos meteoros alcança um mínimo de -9 de magnitude aparente (quando mais baixo o valor, mais brilhante  - o Sol possui um valor de -27, sendo o objeto mais luminoso no céu). Os registros históricos desses sinais ocorrem com mais frequência entre valores de -11 e -13. As primeiras hipóteses que surgiram para tentar esclarecer a questão relacionavam radiações eletromagnéticas de rádio de baixa frequência (VLF, na sigla em inglês) emitidas por oscilações do plasma gerado pelo meteoro com o campo magnético da Terra, gerando ruídos eletrofônicos quando atingiam objetos no chão. Em outras palavras, essas ondas eletromagnéticas faziam tais objetos em volta do observador vibrarem e emitirem sons. Por isso o time de Vinkovic resolveu gravar também possíveis ondas de rádio. Mas apesar deles terem gravado os barulhos eletrofônicos e VLFs, nenhum deles foi registrado simultaneamente, o que enfraqueceu um pouco a ideia.

          Continuando o debate, em fevereiro de 2017, um estudo publicado na Scientific Reports (Ref.7) resolveu explorar uma alternativa teórica similar. Ao invés dos efeitos eletrofônicos, teríamos efeitos fotoacústicos. Aqui, se o meteoro produz uma significativa luminosidade (<-12, a mesma da Lua Cheia) oscilante a frequências iguais ou maiores a 40 Hz, o mesmo seria capaz de aquecer objetos dielétricos como cabelos, roupas, tintas, entre outros, de forma a produzir ondas sonoras no ar em volta do observador. Tais sinais sonoros gerados teriam um volume alto o suficiente (em trono de 25 dB) para fazer com que fossem percebidos facilmente por alguém em um ambiente silencioso. Nessa intensidade, os barulhos poderiam caracterizar algo parecido com folhas sendo movimentadas pelo vento no chão ou fracos assobios, ambos os quais são similares aos relatos de pessoas que ouvem os meteoros enquanto passam.



           Os pesquisadores envolvidos nesse trabalho coletaram dados sonoros e luminosos do meteoro ENO91214 em 9 de dezembro de 2014, este o qual tinha uma luminosidade de -15 (10 vezes mais brilhante do que a Lua, visto na imagem acima). Para o efeito acústico ocorrer, um objeto precisa ser aquecido de forma descontínua e periódica - em termos de intensidade - por uma radiação eletromagnética, ou seja, a fonte luminosa precisa ou ser em pulsos ou modulada. Assim, o objeto excitado pela radiação irá se aquecer, expandir e, quando a fonte luminosa é retirada ou enfraquecida, o objeto volta a se resfriar e contrair. Essa contração e expansão periódica gera pressões no ar em formas de ondas sonoras. E uma fonte de radiação eletromagnética modulada (nesse caso, no visível) teria origem de poderosas chamas de milissegundos provenientes dos meteoros. Cabelos, por exemplo, seriam significativamente impactados pelo efeito, e, estando perto do ouvido das pessoas, contribuiriam de forma importante para os barulhos.

           Porém, outro estudo publicado em abril de 2017, na Geophysical Research Letters (Ref.8), voltou ao efeito eletrofônico, tentando explicar a origem das ondas de rádio de baixa frequência. Nesse caso, os íons gerados no plasma em volta do meteoro mergulhando na atmosfera conseguiriam acompanhá-lo e vencer as linhas do campo magnético da Terra com certa facilidade. Por outro lado, os elétrons nesse plasma não conseguiriam se livrar da atração gerada pelo campo magnético, e passariam a ficar retidos nesse último mais facilmente. Durante a separação de cargas, seria gerado um campo elétrico ambipolar para a manutenção da neutralidade do sistema. Isso então resultaria na criação de uma grande corrente elétrica (do tipo Hall) que geraria a onda eletromagnética de rádio. Um fluxo de energia acima de 10-8 W/m2 poderia ser gerado à nível do solo e, mesmo se a conversão eletrofônica fosse de apenas 0,1%, já seria capaz de produzir sons que o ouvido humano consegue detectar (entre 20 e 20000 Hz) através de objetos diversos ao redor.

            Esse último modelo, além de explicar barulhos de meteoros não muito brilhantes (no efeito fotoacústico, somente aqueles com magnitude aparente acima de -12 os produziriam), poderia também explicar outro fenômeno parecido: auroras boreais que produzem sons, algo há muito tempo afirmado com veemência por povos indígenas que vivem em altas altitudes (regiões mais fáceis de captarem tais sinais sonoros por estarem mais próximas dos rastros luminosos no céu). Como as auroras boreais geram íons também (são produzidas quando partículas muito energéticas do Sol colidem com os gases na atmosfera), tais separações de cargas, unidas com o campo magnético da Terra, podem criar ondas de rádio de baixa frequência.

Estariam também as auroras boreais produzindo esses misteriosos sons?


          Mais recentemente, em um estudo publicado em novembro de 2020 no periódico Plasma Physics Reports (Ref.9) cientistas Russos também apostaram no envolvimento de ondas de rádio. No estudo, os pesquisadores demonstraram via cálculos teóricos que a ionização de partículas de poeira no material do meteoroide cria condições para a aparência de ondas acústicas de poeira associadas a frequências de 0,003-60 Hz. O plasma aquecido associado à entrada atmosférica de um meteoroide emitiria ondas de rádio com frequências de vários megahertz (MHz) até várias centenas de MHz. À medida que essas ondas eletromagnéticas se propagam nos plasmas de partículas ionizadas de poeira da cauda do meteoro ou nos plasmas de poeira ionosférica, ondas acústicas de poeira são excitadas como resultado do desenvolvimento de instabilidade modulatória de ondas eletromagnéticas em frequências características, resultando em ondas eletromagnéticas moduladas. Na superfície terrestre, essas perturbações podem ser convertidas em ondas sonoras ao interagir com os receptores (transferência de oscilações).


    CONCLUSÃO?

            As hipóteses que envolvem os efeitos fotoeletrônicos envolvendo emissões de ondas eletromagnéticas de rádio são mais aceitas e discutidas para a explicação dos misteriosos sons emitidos pelos meteoros. O efeito fotoacústico, apesar de fazer sentido e não precisar da existência de ondas de rádio de baixas frequências, encontra muitas limitações. Mas os cientistas estudando esse fenômeno também reforçam que existe a possibilidade de ambos os mecanismos estarem se complementando. Portanto, a questão continua em aberto, mas você pode ficar aliviado em relação a uma coisa: você não está louco e não foi o único a ouvir estranhos barulhos quando avistou uma estrela cadente rasgando o céu.

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Meteoros: Meteoros são mais conhecidos como 'estrelas cadentes', aqueles rastros de luz que riscam os céus por alguns instantes. Eles são meteoroides (partículas de poeira espacial de vários tamanhos, mas menores do que 1 metros) que atingem a atmosfera a altas velocidades. No choque com os gases atmosféricos, os átomos de metais na sua superfície (sódio, magnésio, ferro, etc.) têm os elétrons da eletrosfera excitados e, quando esses voltam para os seus níveis energéticos iniciais, energia é liberada na forma de luz. Os gases atmosféricos em colisão, especialmente o nitrogênio e o oxigênio também produzem luz no mesmo processo. Por isso as estrelas cadentes/meteoros são tão brilhantes e muitos chegam a apresentar diversas cores, como os mostrados na figura abaixo.



Para saber mais: Asteroides, meteoroides, meteoros e meteoritos!


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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://curious.astro.cornell.edu/physics/73-our-solar-system/comets-meteors-and-asteroids/meteors/302-did-i-really-hear-a-meteor-intermediate
  2. http://www.nature.com/news/2002/020206/full/news020204-3.html
  3. https://leonid.arc.nasa.gov/history.html
  4. https://leonid.arc.nasa.gov/meteor.html
  5. http://www.tau.ac.il/~colin/research/Meteor/meteor.html
  6. http://www.sciencemag.org/news/2017/04/new-theory-may-explain-music-meteors
  7. https://www.nature.com/articles/srep41251
  8. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL072911/full
  9. https://link.springer.com/article/10.1134/S1063780X20100074