Tal como uma avalanche, novas observações mostram que as erupções solares começam como perturbações magnéticas subtis e depois intensificam-se rapidamente. Cientistas que usaram a Solar Orbiter liderada pela Agência Espacial Europeia (ESA) descobriram que estas mudanças iniciais rapidamente se transformam em erupções violentas, produzindo uma série de bolhas violentas de plasma brilhante que caem na atmosfera do Sol muito depois do pico da erupção principal.
A visão vem de uma das imagens mais detalhadas já capturadas de uma grande explosão solar. O evento foi registrado durante o sobrevôo próximo do Sol pela Solar Orbiter em 30 de setembro de 2024 e é descrito em um estudo publicado hoje (21 de janeiro). Astronomia e Astrofísica.
o que causa explosões solares
As explosões solares estão entre as explosões mais poderosas do sistema solar. Isso ocorre quando grandes quantidades de energia armazenada em um campo magnético distorcido são liberadas repentinamente por meio de um processo chamado reconexão magnética. Durante a reconexão, as linhas do campo magnético apontando em direções opostas se separam e se reconectam em uma nova configuração. Este rápido rearranjo pode aquecer o plasma a milhões de graus e lançar partículas carregadas para longe do local, criando explosões solares.
As explosões mais poderosas podem desencadear reações em cadeia que atingem a Terra, desencadeando tempestades geomagnéticas e, por vezes, interrompendo as comunicações de rádio. Devido a estes efeitos potenciais, os cientistas estão ansiosos por compreender exatamente como as crises começam e evoluem.
Durante anos, o mecanismo exato pelo qual o Sol é capaz de liberar tanta energia em questão de minutos permaneceu obscuro. Agora, uma rara combinação de observações de quatro instrumentos da Solar Orbiter fornece a imagem mais completa de como a erupção se desenvolveu desde os seus primeiros momentos.
Raro olhar sobre o nascimento de uma explosão solar
O Extreme Ultraviolet Imager (EUI) da Solar Orbiter capturou imagens extremamente detalhadas da atmosfera exterior do Sol, conhecida como coroa, resolvendo características com apenas algumas centenas de quilómetros de diâmetro e registando alterações a cada dois segundos. Enquanto isso, três outros instrumentos, SPICE, STIX e PHI, estudam diferentes camadas do Sol, desde a coroa quente até a superfície visível ou fotosfera.
Tomadas em conjunto, estas observações permitem aos cientistas acompanhar a formação de uma erupção durante um período de cerca de 40 minutos, mas esta oportunidade raramente ocorre devido às janelas de observação limitadas e às limitações de dados aéreos.
“Tivemos muita sorte em poder testemunhar o evento precursor desta grande explosão com tão belos detalhes,” disse o autor principal Pradeep Chitta do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar em Göttingen, Alemanha. “Devido à janela de observação limitada e à grande quantidade de espaço de armazenamento que esses dados ocupam no computador de bordo da nave espacial, observações tão detalhadas e em alta velocidade da erupção não são sempre possíveis. Estávamos realmente no lugar certo, na hora certa, e captámos os pequenos detalhes desta explosão.”
Aplicações práticas de avalanches magnéticas
Quando o EUI começou a observar a região às 23h06, Tempo Universal (UT), cerca de 40 minutos antes do pico da erupção, revelou filamentos escuros e arqueados compostos de campos magnéticos retorcidos e plasma. A estrutura é conectada por um padrão de linhas de campo magnético em forma de cruz que se ilumina gradualmente. (Veja o link do vídeo abaixo do artigo.)
Uma análise mais detalhada mostra que novas ligações magnéticas aparecem em quase todos os quadros, aproximadamente a cada dois segundos ou menos. Cada fio é restringido magneticamente e torcido gradualmente, como uma corda bem enrolada.
A área fica instável à medida que mais fios se formam e se torcem. Como uma avalanche ganhando impulso, a estrutura magnética começa a quebrar e a se reconectar em rápida sucessão. Isto desencadeia uma série crescente de perturbações, cada uma mais forte que a anterior, manifestando-se como explosões repentinas de brilho.
Um brilho particularmente forte ocorreu às 23h29 UTC. Logo depois, filamentos pretos se separaram de um lado e se espalharam para fora, expandindo-se violentamente à medida que se moviam. Quando a erupção principal irrompeu por volta das 23h47 UTC, flashes brilhantes de reconexão apareceram com detalhes extraordinários ao longo de sua extensão.
“Os minutos que antecedem uma erupção são muito importantes e a Solar Orbiter dá-nos uma janela direta para a base da erupção, onde começa o processo de avalanche”, disse Pradeep. “Ficámos surpreendidos com a forma como grandes explosões podem ser provocadas por uma série de eventos de reconexão mais pequenos que se espalham rapidamente através do espaço e do tempo.”
Explosões solares como reações em cadeia em cascata
Os cientistas há muito que pensam que as avalanches poderiam explicar o comportamento colectivo de inúmeras pequenas erupções no Sol e noutras estrelas. Até agora, não está claro se a mesma ideia se aplica a grandes explosões individuais.
Estes novos resultados mostram que uma grande explosão não é necessariamente uma explosão unificada. Em vez disso, pode surgir de muitos eventos de reconexão menores que interagem e se complementam para formar cascatas poderosas.
gotas de chuva de plasma
Utilizando medições combinadas dos instrumentos SPICE e STIX, a equipa foi capaz de estudar com detalhes sem precedentes como esta rápida sequência de eventos de reconexão deposita energia nas camadas superiores da atmosfera do Sol.
Os raios X de alta energia desempenharam um papel fundamental nesta análise porque revelam onde as partículas em aceleração libertam energia. Como essas partículas podem escapar para o espaço e representar riscos para satélites, astronautas e até mesmo para a tecnologia na Terra, compreender o seu comportamento é fundamental para prever o clima espacial.
Durante a erupção de 30 de setembro, quando o SPICE e o STIX começaram a observar, as emissões ultravioleta e de raios X já estavam a aumentar lentamente. À medida que o clarão se intensifica, a emissão de raios X aumenta dramaticamente, acelerando as partículas a 40 a 50 por cento da velocidade da luz, ou aproximadamente 431 a 540 milhões de quilómetros por hora. Os dados também mostraram que a energia é transferida diretamente do campo magnético para o plasma circundante durante o processo de reconexão.
“Mesmo antes de ocorrer uma explosão, vemos formações de fita movendo-se extremamente rapidamente através da atmosfera solar”, disse Pradeep. “Estes fluxos ‘semelhantes à chuva’ são assinaturas de depósitos de energia que se tornam cada vez mais intensos à medida que a erupção avança. A chuva continua durante algum tempo, mesmo depois de a erupção desaparecer. Esta é a primeira vez que vemos isto neste nível de detalhe espaço-temporal na coroa.”
Resfriamento após a erupção de um vulcão
Após a fase mais intensa da erupção ter passado, a imagem EUI mostra a estrutura magnética original em forma de cruz relaxando. Ao mesmo tempo, STIX e SPICE registraram que o plasma esfriou e as emissões de partículas caíram para níveis normais. O PHI observou o impacto da explosão na superfície visível do Sol, completando uma visão tridimensional de todo o evento.
“Não esperávamos que o processo de avalanche produzisse partículas de alta energia”, disse Pradeep. “Ainda temos muito a explorar ao longo do caminho, mas isso exigirá imagens de raios X de maior resolução de missões futuras para realmente desvendar”.
Nova compreensão das explosões solares
“Este é um dos resultados mais emocionantes da Solar Orbiter até à data”, disse Miho Janvier, cientista do projecto conjunto da Solar Orbiter da ESA. “As observações da Solar Orbiter revelam o motor central das erupções e destacam o papel fundamental de um mecanismo de libertação de energia magnética semelhante a uma avalanche em funcionamento. Uma perspectiva interessante é saber se este mecanismo ocorre em todas as erupções e outras estrelas em chamas.”
“Estas observações emocionantes, capturadas com detalhes incríveis, quase momento a momento, permitem-nos ver como uma série de pequenos eventos se transformam em enormes explosões de energia”, disse David Pontin, co-autor do artigo da Universidade de Newcastle, na Austrália.
Ele acrescentou: “Ao comparar as observações do EUI com as observações do campo magnético, fomos capazes de desvendar a sequência de eventos que levaram à erupção. As nossas observações desafiam as teorias existentes de libertação de energia da explosão e, combinadas com observações adicionais, permitir-nos-ão refinar estas teorias para melhorar a nossa compreensão.”
Sobre a missão Solar Orbiter
Solar Orbiter é uma missão conjunta da ESA e da NASA e é operada pela ESA. O Extreme Ultraviolet Imager (EUI) é liderado pelo Observatório Real da Bélgica (ROB). O Polarization and Helioseismic Imager (PHI) é liderado pelo Instituto Max Planck de Pesquisa do Sistema Solar (MPS) na Alemanha. Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) é um instrumento liderado pela Europa e gerido pelo Instituto de Astrofísica Espacial (IAS) em Paris, França. O espectrômetro e telescópio de raios X STIX é liderado por FHNW Windisch, Suíça.
