Nave Espacial Registra a lavagem magnética que provoca enormes explosões solares

Essa percepção vem de uma das visões mais detalhadas já capturadas de uma grande erupção solar. O evento foi registrado durante a passagem próxima da Solar Orbiter pelo Sol em 30 de setembro de 2024 e é descrito em um estudo publicado hoje (21 de janeiro) na Astronomy & Astrophysics.

O Que Provoca uma Erupção Solar

As erupções solares estão entre as explosões mais poderosas do sistema solar. Elas ocorrem quando enormes quantidades de energia armazenadas em campos magnéticos torcidos são repentinamente liberadas através de um processo conhecido como reconexão magnética. Durante a reconexão, linhas de campo magnético apontando em direções opostas se quebram e se reconectam em uma nova configuração. Essa rápida reorganização pode aquecer o plasma a milhões de graus e lançar partículas energizadas para longe do local, criando uma erupção solar.

As erupções mais fortes podem desencadear uma reação em cadeia que atinge a Terra, provocando tempestades geomagnéticas e, às vezes, disruptando comunicações por rádio. Devido a esses potenciais impactos, os cientistas estão ansiosos para entender exatamente como as erupções começam e evoluem.

Por anos, o mecanismo preciso por trás da capacidade do Sol de liberar tanta energia em minutos permaneceu incerto. Agora, uma rara combinação de observações de quatro instrumentos da Solar Orbiter trabalhando juntos forneceu a imagem mais completa até agora de como uma erupção se desenrola desde seus primeiros momentos.

Uma Visão Rara do Nascimento de uma Erupção Solar

O Imager Ultravioleta Extremo (EUI) da Solar Orbiter capturou imagens notavelmente detalhadas da atmosfera externa do Sol, conhecida como coroa, resolvendo características com apenas algumas centenas de quilômetros de largura e registrando mudanças a cada dois segundos. Ao mesmo tempo, três instrumentos adicionais, SPICE, STIX e PHI, estudaram diferentes camadas do Sol, desde a coroa quente até a superfície visível, ou fotosfera.

Juntas, essas observações permitiram que os cientistas rastreassem a acumulação da erupção por aproximadamente 40 minutos, uma oportunidade que raramente ocorre devido a janelas de observação limitadas e restrições de dados a bordo.

“Tivemos realmente muita sorte de testemunhar os eventos precursores dessa grande erupção em detalhes tão bonitos,” diz Pradeep Chitta do Instituto Max Planck para Pesquisa do Sistema Solar, em Götzingen, Alemanha, e autor principal do artigo. “Observações detalhadas de alta cadência de uma erupção não são possíveis o tempo todo devido às janelas de observação limitadas e porque dados como esses ocupam muito espaço de memória no computador a bordo da espaçonave. Realmente estávamos no lugar certo na hora certa para captar os detalhes finos dessa erupção.”

Avalanche Magnética em Ação

Quando o EUI começou a observar a região às 23:06 Hora Universal (UT), cerca de 40 minutos antes de a erupção alcançar seu pico, revelou um filamento escuro em forma de arco composto de campos magnéticos torcidos e plasma. Essa estrutura estava conectada a um padrão em forma de cruz de linhas de campo magnético que gradualmente se tornaram mais brilhantes. (Veja o link do vídeo abaixo do artigo.)

Visões aproximadas mostraram que novos fios magnéticos apareciam em quase todos os quadros de imagem, a cada dois segundos ou menos. Cada fio permanecia confinado por forças magnéticas e se torcia gradualmente, parecendo cordas bem apertadas.

À medida que mais fios se formavam e torciam, a região se tornava instável. Como uma avalanche ganhando impulso, as estruturas magnéticas começaram a quebrar e reconectar em rápida sucessão. Isso desencadeou uma cadeia de interrupções que se espalhou, cada uma mais forte que a anterior, visível como explosões súbitas de brilho.

Às 23:29 UT, ocorreu um brilhamento particularmente intenso. Logo depois, o filamento escuro se desprendeu de um lado e disparou para fora, desenrolando-se violentamente à medida que se movia. Flashes brilhantes de reconexão apareciam ao longo de seu comprimento em detalhe extraordinário quando a erupção principal ocorreu por volta das 23:47 UT.

“Esses minutos antes da erupção são extremamente importantes e a Solar Orbiter nos deu uma janela diretamente nos pés da erupção, onde esse processo de avalanche começou,” diz Pradeep. “Ficamos surpresos ao ver que a grande erupção é impulsionada por uma série de pequenos eventos de reconexão que se espalham rapidamente no espaço e no tempo.”

Erupções Solares como Reações em Cadeia Cascateadas

Cientistas há muito sugerem que avalanches poderiam explicar o comportamento coletivo de incontáveis pequenas erupções no Sol e em outras estrelas. Até agora, não estava claro se a mesma ideia se aplicava a uma única erupção grande.

Esses novos resultados mostram que uma erupção importante não precisa ser uma explosão unificada. Em vez disso, ela pode emergir de muitos pequenos eventos de reconexão que interagem e se constroem uns sobre os outros, formando uma poderosa cascata.

Bolhas de Plasma Chovendo

Usando medições combinadas dos instrumentos SPICE e STIX, a equipe de pesquisa foi capaz de estudar como essa rápida sequência de eventos de reconexão deposita energia nas camadas mais altas da atmosfera do Sol com detalhes sem precedentes.

Os raios-X de alta energia desempenharam um papel fundamental nesta análise, pois revelam onde partículas aceleradas liberam sua energia. Como essas partículas podem escapar para o espaço e representar riscos para satélites, astronautas e até mesmo tecnologias na Terra, entender seu comportamento é essencial para prever o clima espacial.

Durante a erupção de 30 de setembro, as emissões ultravioletas e de raios-X já estavam lentamente aumentando quando o SPICE e o STIX começaram suas observações. À medida que a erupção se intensificou, a saída de raios-X aumentou dramaticamente, acelerando partículas a velocidades de 40 a 50 por cento da velocidade da luz, ou aproximadamente 431 a 540 milhões de km/h. Os dados também mostraram a energia se movendo diretamente dos campos magnéticos para o plasma circundante durante a reconexão.

“Vimos características em formato de fita se movendo extremamente rápido pela atmosfera do Sol, mesmo antes do episódio principal da erupção,” diz Pradeep. “Essas correntes de ‘bolhas de plasma chovendo’ são assinaturas de deposição de energia, que se tornam cada vez mais fortes à medida que a erupção avança. Mesmo depois que a erupção diminui, a chuva continua por algum tempo. É a primeira vez que vemos isso em tal nível de detalhe espacial e temporal na coroa solar.”

Resfriamento Após a Erupção

Depois que a fase mais intensa da erupção passou, as imagens do EUI mostraram a estrutura magnética original em forma de cruz se relaxando. Ao mesmo tempo, o STIX e o SPICE registraram plasma esfriando e uma queda nas emissões de partículas para níveis normais. O PHI observou os efeitos da erupção na superfície visível do Sol, completando uma visão tridimensional de todo o evento.

“Não esperávamos que o processo de avalanche pudesse levar a partículas de tão alta energia,” diz Pradeep. “Ainda temos muito a explorar nesse processo, mas isso exigiria imagens de raios-X de resolução ainda mais alta de futuras missões para realmente desvendar.”

Uma Nova Compreensão das Explosões Solares

“Este é um dos resultados mais emocionantes da Solar Orbiter até agora,” diz Miho Janvier, co-cientista do projeto Solar Orbiter da ESA. “As observações da Solar Orbiter desvendam o motor central de uma erupção e enfatizam o papel crucial de um mecanismo de liberação de energia magnética em forma de avalanche em ação. Uma perspectiva interessante é se esse mecanismo acontece em todas as erupções e em outras estrelas que apresentam erupções.”

“Essas observações emocionantes, capturadas em detalhes incríveis e quase momento a momento, nos permitiram ver como uma sequência de pequenos eventos se cascata em enormes explosões de energia,” diz David Pontin da Universidade de Newcastle, na Austrália, que co-autorizou o artigo.

Ele acrescenta: “Ao comparar as observações do EUI com as observações do campo magnético, conseguimos desvendar a cadeia de eventos que levou à erupção. O que observamos desafia teorias existentes para a liberação de energia das erupções e, juntamente com mais observações, nos permitirá refinar essas teorias para melhorar nossa compreensão.”

Sobre a Missão Solar Orbiter

A Solar Orbiter é uma missão conjunta entre a ESA e a NASA e está operada pela ESA. O Imager Ultravioleta Extremo (EUI) é liderado pelo Observatório Real da Bélgica (ROB). O Imager Polarimétrico e Helioseismológico (PHI) é liderado pelo Instituto Max Planck para Pesquisa do Sistema Solar (MPS), Alemanha. O Imager Espectral do Ambiente Coronal (SPICE) é um instrumento liderado pela Europa gerenciado pelo Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) em Paris, França. O Espectrômetro e Telescópio de Raios-X STIX é liderado pela FHNW, Windisch, Suíça.