Sonda voa mais perto do Sol e reescreve a física da coroa

Perto o suficiente para sentir o fôlego do Sol: uma espaçonave voou mais perto do Sol do que nunca

No início deste ano, uma espaçonave voou mais perto do Sol do que qualquer outro explorador na história e retornou um conjunto de medições que estão forçando os físicos a reescreverem um problema clássico na ciência solar. A Parker Solar Probe da NASA mergulhou repetidamente na atmosfera externa do Sol, chegando a cerca de 3,8 milhões de milhas da superfície solar visível durante seus encontros mais ousados. Essas leituras brutas de partículas e campos in-situ — obtidas onde o vento solar nasce e ainda interage fortemente com o campo magnético do Sol — estão agora sendo usadas com novas ferramentas de análise para expor como a energia é transferida para o vento e por que a coroa atinge milhões de graus.

A Parker Solar Probe foi lançada em 2018 e utiliza uma sequência de assistências gravitacionais de Vênus para baixar seu periélio na heliosfera interna. Em suas passagens mais próximas, a espaçonave cruzou regiões que eram, até recentemente, território puramente teórico para os heliofísicos. Essa proximidade é fundamental: os instrumentos a bordo da sonda coletam amostras das distribuições de velocidade de íons e elétrons diretamente, e não indiretamente através de assinaturas remotas de luz ou rádio. Essas distribuições não se parecem com as curvas Maxwellianas simples em forma de sino que muitos modelos assumem; em vez disso, são distorcidas e estruturadas, carregando impressões digitais de aquecimento recente e atividade de ondas.

Como a sonda atravessa fisicamente a coroa e o vento solar nascente, os cientistas podem comparar as medições locais com as expectativas de teorias de longa data. O conjunto de dados é incomum tanto em sua proximidade quanto em sua fidelidade: campos magnéticos, velocidades e densidades de partículas, ondas eletromagnéticas em uma gama de frequências — tudo medido a poucos milhões de milhas do Sol. Essa combinação é o que permite aos pesquisadores testar, rejeitar e refinar mecanismos de aquecimento que têm sido debatidos há mais de um século.

Por que o fato de a espaçonave ter voado mais perto do Sol revela pistas sobre o aquecimento coronal

O mistério secular no cerne dessas observações é o problema do aquecimento coronal: a atmosfera externa do Sol, a coroa, é ordens de magnitude mais quente do que a superfície visível abaixo dela. A fotosfera situa-se perto de 5.800 kelvin, mas a coroa atinge temperaturas de milhões de kelvin. Como a energia se move das camadas inferiores do Sol para um plasma tênue que, no entanto, se torna muito mais quente, tem sido um enigma desde que as altas temperaturas coronais foram inferidas pela primeira vez no início do século XX.

Um novo trabalho publicado este ano utiliza as medições próximas da Parker juntamente com uma ferramenta de análise numérica chamada ALPS — o Arbitrary Linear Plasma Solver — para confrontar esse enigma diretamente. O ALPS permite que os cientistas calculem como as distribuições de velocidade de partículas não Maxwellianas observadas interagem com ondas eletromagnéticas em escala iônica: quais ondas são emitidas, quais são absorvidas e quanta energia é trocada. O resultado é um detalhamento muito mais minucioso do fluxo de energia na heliosfera interna do que os modelos anteriores que assumiam populações de partículas termalizadas.

O que a sonda encontrou: ondas, amortecimento e resfriamento lento

O destaque da nova análise é que o vento solar não se limita a expandir e esfriar à medida que escapa do Sol; em vez disso, ele experimenta um aquecimento contínuo a partir de interações partícula-onda em pequena escala. As medições da Parker mostram anisotropias persistentes e desvios do equilíbrio térmico nas velocidades dos íons, e o ALPS indica que essas características não térmicas permitem a emissão e absorção de ondas em escala iônica. A absorção dessas ondas por populações específicas de partículas transfere energia para elas e retarda o resfriamento que, de outra forma, resultaria da pura expansão.

Os cientistas descrevem a consequência observável como "amortecimento" (damping): a energia das ondas é convertida em energia cinética das partículas e redistribuída entre íons e elétrons. Esse amortecimento não é uniforme — depende da geometria magnética local, da forma das distribuições de velocidade e de quais modos de onda estão presentes — e esse aquecimento espacialmente variável ajuda a explicar por que a coroa permanece tão quente perto do Sol e como o vento solar ganha velocidade à medida que flui para o exterior.

Impactos para o clima espacial, satélites e astrofísica

Estes não são apenas detalhes esotéricos. Uma melhor compreensão de como e onde o vento solar é aquecido alimenta diretamente os modelos que preveem como as ejeções de massa coronal e as tempestades de partículas evoluem em seu caminho para a Terra. Um tratamento mais realista das distribuições de partículas e do amortecimento alterará os cálculos de quão rápidas e energéticas as erupções solares se tornam à medida que viajam pela heliosfera. Para operadores de satélites, redes elétricas e rotas de aviação perto dos polos, isso pode se traduzir em avisos aprimorados e redução de riscos.

Além do ambiente próximo à Terra, a física descoberta onde uma espaçonave voou mais perto do Sol do que nunca tem um amplo alcance. Plasmas quentes e magnetizados são onipresentes em todo o universo — em discos de acreção ao redor de buracos negros, ventos de outras estrelas e no gás tênue entre galáxias. Os mesmos tipos de processos partícula-onda e distribuições de velocidade não térmicas provavelmente controlam a dissipação de energia nesses sistemas também, de modo que as lições da Parker serão incorporadas em modelos astrofísicos nos próximos anos.

Como isso muda o cenário e o que vem a seguir

Até agora, muitos modelos tratavam o vento solar nascente como aproximadamente térmico e usavam prescrições simplificadas para o aquecimento por ondas. As novas medições diretas mostram que essas suposições ignoram canais importantes de transferência de energia. Ao combinar dados in-situ com solvers como o ALPS, os pesquisadores podem agora prever quais populações de partículas ganham energia e a que distâncias radiais — previsões que podem ser validadas contra as repetidas passagens da Parker à medida que a espaçonave amostra diferentes partes da coroa ao longo do ciclo solar.

Os próximos passos incluem expandir o conjunto de encontros analisados, comparar os dados da Parker com observações remotas de outras espaçonaves e incorporar os termos de aquecimento refinados em modelos heliosféricos globais. As equipes já estão trabalhando para mapear o "ponto sem retorno" na atmosfera do Sol — a fronteira onde o plasma escapa da contenção magnética solar — e para registrar como o amortecimento e a absorção de ondas mudam com a atividade solar. À medida que a Parker continua a baixar seu periélio, esses mapas ganharão resolução e poder preditivo.

Fontes