Como os físicos estão perto de desvendar um dos mistérios mais antigos da natureza

Antes de mudar a forma como entendemos os raios na Terra, o astrofísico americano Joseph Dwyer estudou o clima em contextos mais cósmicos. Ele utilizou os sensores do satélite Wind da Nasa. Orbitando a um milhão de quilômetros de distância, ele observava erupções solares e analisava as partículas que emanavam da superfície do Sol. Mas, quando se mudou para a Flórida por volta da virada do começo do milênio, Dwyer sentiu-se pronto para algo novo — algo que ele e seus alunos pudessem investigar por conta própria. Não demorou muito para que o clima tropical trouxesse um mistério adequado do lado de fora da janela de seu escritório. “Era como um estrondo lá fora. Eu investiguei e percebi que os raios eram um problema não resolvido”, disse Dwyer.

Ninguém ainda conseguiu juntar todas as peças, mas uma nova compreensão dos raios está se formando. Os temíveis clarões se parecem cada vez menos com as faíscas elétricas gigantescas que os físicos imaginavam. Embora a eletricidade desempenhe um papel central, os raios são formados e moldados por todo o padrão da física — de explosões cósmicas à física de partículas. Em particular, desencadear um raio parece exigir eventos extremos mais tipicamente associados a supernovas, buracos negros e aceleradores de partículas do que a nuvens fofas.

“Há um consenso crescente na área de que os processos de alta energia desempenham um papel fundamental na iniciação de raios”, disse Caitano da Silva, um físico atmosférico da New Mexico Tech. “É um momento empolgante para estar nesta área.”

Ponto de gatilho

Quando raios rasgavam o céu, os antigos gregos, escandinavos e hindus viam lampejos de guerra divina. E quando trovões sacudiam seus peitos, os chineses sentiam uma divindade punindo os malfeitores. Hoje, o poder das tempestades ainda deixa as pessoas maravilhadas.

“Cresci vendo essas grandes frentes frias chegando com muitos raios” no Brasil, disse da Silva. “Fiquei apavorado com isso.”

O medo traz consigo a fascinação. No entanto, apesar de séculos de exploração, físicos fascinados como da Silva ainda fazem a mesma pergunta que os antigos: Como começa o relâmpago?

Por um tempo, os pesquisadores pensaram ter encontrado a resposta. À medida que os físicos desvendavam os mistérios da eletricidade nos séculos 18 e 19, aprenderam a produzir faíscas consideráveis ​​sob demanda: acumulando carga elétrica em uma esfera de metal, aproximando uma segunda, e uma faísca saltava entre elas. Quando os pesquisadores finalmente desvendaram a estrutura da matéria, entenderam o porquê. As cargas separadas geram um campo elétrico entre as esferas.

Quando o campo elétrico atinge uma intensidade crítica — aproximadamente 3 milhões de volts por metro — o ar começa a se desfazer. O campo lança elétrons livres em direção aos átomos vizinhos, onde estes liberam mais elétrons. Como neve em uma encosta íngreme, os elétrons “descem em avalanche”, aquecendo o ar até que ele brilhe.

Em 1752, Benjamin Franklin – um dos líderes da Revolução Americana – relacionou as faíscas em laboratório com os raios no céu em seu famoso experimento com pipas. E, pelos 200 anos seguintes, os pesquisadores acreditaram que o que acontecia nas nuvens de tempestade era exatamente o mesmo que ocorria entre suas esferas metálicas, só que em uma escala maior. O mistério dos raios parecia resolvido.

Mas quando os físicos passaram das pipas para os foguetes e balões meteorológicos do tamanho de caminhões em meados do século 20, encontraram um problema. As nuvens têm campos elétricos; minúsculos cristais de gelo se atritam uns contra os outros como meias em um tapete, e cristais com elétrons extras tendem a se acumular na base das nuvens. Mas esses campos são fracos.

Então, os físicos começaram a observar as tempestades do espaço e descobriram que as nuvens de tempestade eram mais estranhas do que haviam imaginado.

Avalanches descontroladas

Em 1994, um satélite que buscava explosões extremas no espaço profundo detectou, por acaso, flashes de raios gama vindos de nuvens de tempestade, frequentemente acompanhados de relâmpagos. Os raios gama são o tipo mais energético de raios de luz, geralmente marcando o último suspiro de uma estrela ou o estrondo cataclísmico de duas estrelas de nêutrons. Não é algo que se esperaria encontrar em uma nuvem, por mais lascas de gelo afiadas que ela contivesse. Algo estava acontecendo no reino rápido e intenso das partículas subatômicas.

Foi nessa época que Dwyer testemunhou as estrondosas tempestades de raios da Flórida e aprendeu sobre suas origens misteriosas. Como astrofísico, ele conhecia o reino subatômico. Estava familiarizado com o trabalho do ganhador do Prêmio Nobel C.T.R. Wilson, que havia levantado a hipótese de que um elétron “relativístico” movendo-se a uma velocidade próxima à da luz mal sentiria qualquer resistência dos átomos no ar. (Da Silva compara isso a uma bala rasgando uma chuva de flocos de neve.) Um elétron suficientemente veloz em um campo elétrico poderia, portanto, “escapar” cada vez mais rápido.

Dwyer sabia que um físico russo, Aleksandr Gurevich, havia demonstrado em 1992 que um elétron descontrolado desse tipo poderia desencadear uma cascata de talvez 100.000 elétrons, semelhante às avalanches que iniciam faíscas em laboratório, mas que se desenrolariam ao longo de centenas ou milhares de metros. E ele também sabia que, quando esses elétrons relativísticos descontrolados colidiam com moléculas de ar, podiam emitir raios gama.

Por si só, esses eventos subatômicos extremos não pareciam ser abundantes o suficiente para explicar os brilhantes raios gama que iluminavam as nuvens de tempestade. Mas então Dwyer imaginou um processo complexo que poderia permitir que uma avalanche desencadeasse outra, e outra, e outra, todas umas sobre as outras.

Segundo o processo de Dwyer, quando um elétron na avalanche colidia com um átomo, ele podia ricochetear e emitir um raio gama. Esse raio gama se transformaria em um elétron e sua antipartícula, um pósitron. O campo elétrico da nuvem empurraria o pósitron para trás, próximo ao ponto de partida da avalanche. Lá, ele poderia colidir com outro átomo, desencadeando outra avalanche, que produziria mais raios gama, mais pósitrons, mais avalanches e assim por diante, até que se obtivesse um clarão visível da órbita.

“É como pegar um microfone e colocá-lo ao lado de uma caixa de som”, disse Dwyer, que agora está na Universidade de New Hampshire. “Pode ficar muito barulhento rapidamente.”

A sequência de avalanches relativísticas descontroladas poderia explicar os raios gama. E também poderia contribuir para a formação de raios. À medida que a avalanche se propaga, os elétrons se acumulam na frente, deixando íons carregados positivamente em seu rastro — intensificando o campo elétrico da nuvem.

Em simulações computacionais, Dwyer demonstrou que essa cadeia de eventos amplificava as avalanches, emitia raios gama e intensificava o campo elétrico. Quase simultaneamente, simulações detalhadas de fragmentos de gelo revelaram o quão afiados eles provavelmente se tornariam — não muito afiados —, o que também começou a enfraquecer a teoria dos hidrometeoros.

Então, as avalanches relativísticas descontroladas de Dwyer realmente aconteciam dentro das nuvens? E isso poderia amplificar o campo elétrico o suficiente para produzir raios? Seus colegas estavam divididos.

Os pesquisadores precisavam chegar mais perto da ação. Em julho de 2023, físicos audaciosos equiparam um avião da Nasa de alta altitude com detectores de raios gama e o fizeram voar diretamente sobre o núcleo de algumas das tempestades mais ferozes do planeta — tempestades tropicais no Golfo do México, no Caribe e na América Central. O avião alcançou altitudes estratosféricas que “a maioria das pessoas gostaria de evitar a todo custo”, disse da Silva. A campanha foi chamada de ALOFT, um acrônimo formado em parte por outros acrônimos. Suas observações proporcionaram a maior abundância de novos dados em uma geração.

Nuvens de tempestade, reveladas pela ALOFT. São caldeirões borbulhantes que emitem todos os tipos de raios gama, muito fracos para serem vistos do espaço. O projeto confirmou os brilhos suaves e os clarões repentinos ao redor dos relâmpagos que os instrumentos espaciais também haviam detectado. Mas o ALOFT também detectou que as nuvens piscam mesmo quando não há relâmpagos visíveis. O mais curioso é que elas também tremeluzem.

“Eles descobriram que existe uma infinidade de outros fenômenos”, disse Ute Ebert, um físico especializado em raios na Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda.

Uma pessoa que não ficou completamente surpresa com as observações do ALOFT foi Dwyer. Antecipando o anúncio da equipe, ele havia refeito suas simulações para prever o que o detector de raios gama veria ao sobrevoar as tempestades.

Ele já sabia há muito tempo que as avalanches relativísticas inevitavelmente se acumulavam em um padrão intermitente, então calculou exatamente que tipo de oscilação as colisões de partículas produziriam.

Ambas as equipes apresentaram suas descobertas em São Francisco, na reunião anual da União Geofísica Americana, em dezembro de 2023, e os resultados coincidiram perfeitamente — a evidência mais forte até então de que as colisões subatômicas de Dwyer estão ocorrendo dentro de tempestades reais.

Agora, outros teóricos estão desenvolvendo essa teoria. No verão passado, Victor Pasko, um engenheiro elétrico da Universidade Estadual da Pensilvânia, estudou a cadeia de eventos desencadeada em outras circunstâncias, como campos elétricos mais intensos, e descobriu que, nesses casos, também ocorrem avalanches podem se acumular e iniciar relâmpagos, fornecendo suporte adicional a toda a estrutura.

“Isso consolida a ideia de que os elétrons energéticos estão desempenhando um papel aqui”, disse da Silva. “Até muito recentemente, basicamente só Dwyer falava sobre isso.”

Em desacordo com os demais

É muito provável que cadeias de avalanches de elétrons de alta energia estejam fazendo com que as nuvens brilhem, cintilem e emitam raios gama. Mas os pesquisadores não podem afirmar com certeza que elas também estejam provocando raios. Um dos enigmas é que os raios parecem começar em um ponto específico da nuvem, enquanto as avalanches ocorrem em uma região muito maior. As avalanches aproximam a nuvem das condições que se espera que levem à formação de raios. Mas ninguém conseguiu estabelecer uma ligação definitiva entre elas e o desencadeamento de um raio.

Mesmo com a teoria de Dwyer ganhando apoio, observações do início de 2025 reacenderam outra teoria sobre a formação de raios.

No deserto do Novo México, um par de estações repletas de antenas captou ondas de rádio emitidas por uma dúzia de raios distintos. Usando esses dados, Xuan-Min Shao, pesquisador do Laboratório Nacional de Los Alamos, conseguiu reconstruir a trajetória da corrente elétrica no início desses raios. Ele descobriu que algo estava errado. Se uma das cascatas de Dwyer, ou qualquer outro processo impulsionado puramente pelo campo elétrico, estivesse dando origem ao raio, o proto-raio se moveria perfeitamente alinhado com o campo elétrico desde o início do processo. Mas Shao descobriu que, nesses casos, as duas direções estavam ligeiramente em desacordo. Na inclinação, Shao vê evidências de uma origem extraterrestre, até mesmo extragaláctica, para os raios — uma chuva de raios cósmicos.

As chuvas de raios cósmicos são o resultado final de eventos violentos no espaço profundo, como a expulsão de partículas de buracos negros em atividade ou explosões estelares que lançam fragmentos atômicos — talvez um próton de uma estrela em explosão ou um átomo de ferro desprovido de matéria expelido por um buraco negro supermassivo. Esses fragmentos viajam bilhões de anos-luz pelo universo e colidem com a atmosfera da Terra. A violenta colisão lança um jato de elétrons, pósitrons e outras partículas em uma nuvem em um ângulo aleatório. Esses elétrons e pósitrons podem ter energia suficiente para separar os elétrons de suas moléculas e iniciar uma avalanche, mesmo que o campo elétrico permaneça bem abaixo do limiar crítico.

Para alguns físicos, Shao apresenta um argumento convincente. “Tem que estar mapeando a direção de alguma outra coisa, muito provavelmente a ionização dos raios cósmicos”, disse David Smith, um físico da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz. “Considero os dados extremamente convincentes.”

Outros dizem que é muito cedo para saber o que pensar da descoberta. A técnica de reconstrução de Shao não está totalmente estabelecida, e os chuveiros de raios cósmicos são repletos de física de partículas pouco compreendida. Isso torna tentador usá-los como uma “varinha mágica”, disse Brian Hare, um físico do Instituto Holandês de Radioastronomia, para preencher uma lacuna difícil de explicar em um processo misterioso.

Mas se Shao e outros começarem a observar mais casos de raios voando obliquamente, isso poderá motivar os teóricos a investigar esses detalhes.

“É uma ideia realmente interessante, e há indícios de que isso possa estar acontecendo”, disse Dwyer. “Se esse mecanismo for verdadeiro, toda vez que você vê um relâmpago, existe uma conexão física com uma estrela moribunda em algum lugar da galáxia.”

As últimas décadas de pesquisa sobre raios produziram algumas ideias sobre como a natureza pode induzir raios a partir de nuvens com campos elétricos fracos. E embora as teorias concorram na literatura científica, elas provavelmente colaboram no mundo real. Longas agulhas de gelo podem desencadear raios em uma nuvem, enquanto uma torrente de elétrons produzindo raios gama faz o mesmo em outra. E múltiplos mecanismos podem trabalhar juntos para levar o campo elétrico além do ponto de não retorno. Somente com medições mais precisas dos raios gama e das ondas de rádio que acompanham os raios, os pesquisadores poderão determinar se um mecanismo, ou uma combinação de mecanismos, é o mais comum.

Mas, à medida que os físicos se aproximam do mistério do que inicia os raios, eles estão, mais uma vez, descobrindo ocorrências inesperadas que não se encaixam em nenhuma das teorias. Há padrões sutis nos raios gama observados pelo ALOFT, por exemplo. E, nos últimos anos, um conjunto de radiotelescópios na Holanda tem fornecido algumas das imagens mais nítidas já obtidas de raios no momento em que começam a se ramificar a partir de seu ponto de origem. Elas mostram que algumas partes se projetam rapidamente, outras se movem relativamente devagar e algumas desenvolvem agulhas à medida que se deslocam.

Essas características sugerem que, mesmo com explicações mais abrangentes, o mistério de como os raios realmente funcionam continuará sendo desvendado. “Quanto mais investigamos, mais bizarro fica”, disse Dwyer. “Claramente, nossas explicações simplistas são muito incompletas.”

História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em What Causes Lightning? The Answer Keeps Getting More Interesting.

O conteúdo foi traduzido com o auxílio de ferramentas de Inteligência Artificial e revisado por nossa equipe editorial. Saiba mais em nossa Política de IA.