O fóton que aqueceu seu rosto esta manhã deixou a superfície do Sol há oito minutos e vinte segundos, viajando 150 milhões de quilômetros através do vácuo na única velocidade do universo. Antes dessa rápida corrida, porém, esse mesmo pacote de energia passou algo entre 10.000 e 170.000 anos lutando para sair do interior solar, de acordo com Divisão de Heliofísica da NASA. O passeio de oito minutos é a parte fácil. O resto é um jogo de pinball em câmera lenta através da matéria mais densa do sistema solar.
O número parece impossível. Não é.
O que realmente acontece no núcleo?
O núcleo do Sol é uma esfera com cerca de um quarto do raio da estrela, comprimida a cerca de 150 gramas por centímetro cúbico – treze vezes mais densa que o chumbo, suficientemente quente a 15 milhões de graus Celsius para forçar os núcleos de hidrogénio a fundirem-se em hélio. A cada segundo, o núcleo converte cerca de 600 milhões de toneladas de hidrogénio em hélio, e cerca de quatro milhões de toneladas dessa massa simplesmente desaparecem, reaparecendo como energia na forma de fotões de raios gama.
Esses fótons recém-nascidos são extremamente energéticos. Eles também não vão muito longe.
Um fóton de raios gama nasce no núcleo, cerca de um milímetro em média, antes de atingir um elétron livre ou um núcleo ionizado. É absorvido. Quase imediatamente, foi reemitido – mas numa direção aleatória. Então ele viaja mais ou menos um milímetro e tudo acontece novamente. E novamente. Trilhões e trilhões de vezes.
Um passeio aleatório
Os físicos chamam isso de passeio aleatório, e é o mesmo processo estatístico que descreve um bêbado cambaleando de um pub para casa ou um grão de pólen flutuando na água sob o movimento browniano. Cada passo leva a uma direção inesperada. O progresso para fora é dolorosamente lento porque para cada passo em direção à superfície, há uma chance quase igual de dar um passo para trás em direção ao centro.
A matemática é implacável. para superar a distância E em passos de comprimento euUm passeio aleatório requer aproximadamente (R/l)² passos, não R/l. Para o Sol, R é cerca de 700.000 km e l é um milímetro ou menos no interior profundo. Insira os números e o número de eventos de dispersão atingirá a faixa de 10²² ou mais.
As estimativas de quanto tempo toda a viagem realmente leva variam muito porque a densidade e a opacidade do plasma solar variam dramaticamente entre o núcleo e a superfície. O número frequentemente citado de 100.000 anos é uma estimativa bastante moderada. Algumas contagens chegam a 10.000; Outros ultrapassam 170.000. O que nenhum modelo sério produz é algo próximo de oito minutos.
O fóton que chega até você não é o fóton que nasceu
Há uma nuance no valor da pausa. O fóton de raios gama que se origina da fusão no núcleo não é o mesmo fóton, em qualquer sentido significativo, que eventualmente deixa a superfície visível do Sol. Cada absorção e reemissão é um evento novo. A energia é conservada ao longo da cascata, mas o raio gama original de alta energia é efetivamente dividido em muitos fótons de energia mais baixa ao longo do caminho.
Quando a energia atinge a fotosfera – a superfície visível – ela é degradada dos raios gama para a mistura de luz visível, raios infravermelhos e ultravioleta que o Sol irradia. A cor da luz solar é a cor da superfície de 5.500 graus, não a cor do núcleo de 15 milhões de graus. O interior foi resfriado até a luz por meio de pura lavagem estatística.
Assim, quando um fóton atinge uma folha, ou um painel solar, ou a retina na parte posterior do olho, a energia transportada dentro dele tem uma biografia que remonta à última Idade do Gelo ou além. O hidrogênio liberado pode ter sido diluído enquanto os mamutes ainda caminhavam pela Sibéria.
As camadas pelas quais a luz tem que passar
Além do núcleo fica a região radiativa, que se estende por cerca de 70% do raio solar. É aqui que a caminhada aleatória dura mais tempo. Aqui o plasma é denso e quase estável, e a radiação é a única maneira pela qual a energia pode viajar para fora. A convecção é suprimida.
Acima disso está o terço externo do Sol, a região de condução. Aqui, o plasma eventualmente esfria e se torna opaco o suficiente para que células gigantes de gás quente possam subir fisicamente à superfície, transportando energia da mesma forma que uma panela fervendo leva calor para sua tampa. Uma vez que a energia atinge a zona convectiva, a sua velocidade de deslocamento aumenta bastante – viajar através das camadas externas leva apenas semanas ou meses, não milênios.
Depois vem a fotosfera, a pele fina da qual a luz solar finalmente escapa para o espaço. A partir daí, um fóton ininterrupto viaja 150 milhões de quilômetros até a Terra em 499 segundos. O vazio do espaço, nesse sentido, é uma superestrada comparada a um engarrafamento.
Como sabemos?
A questão óbvia é como alguém pode afirmar saber o que acontece dentro de uma estrela que ninguém jamais viu. A resposta são neutrinos.
Ao contrário dos fótons, os neutrinos quase não interagem com a matéria. Quando a fusão do núcleo produz raios gama, também produz uma inundação de neutrinos, e esses neutrinos deixam o Sol em cerca de dois segundos. Eles chegam à Terra oito minutos depois. Detectores como o Super-Kamiokande no Japão e o SNO em Ontário contam neutrinos solares há décadas, e os números correspondem às previsões dos modelos de fusão estelar com uma pequena margem de erro.
Enquanto isso, a heliossismologia – o estudo das ondas de pressão na superfície do Sol – permite aos pesquisadores mapear estruturas internas da mesma forma que os sismólogos mapeiam o interior da Terra com terremotos. Os perfis de densidade, temperatura e composição inferidos a partir dessas oscilações concordam perfeitamente com o quadro de fusão mais passeio aleatório. O interior solar é um dos lugares mais bem compreendidos do universo que nenhuma sonda jamais visitará.
D Sonda Solar Parkerque mergulhou mais perto do Sol do que qualquer nave espacial na história, nunca chegando perto do interior. Ele passa pela coroa externa vários milhões de quilômetros acima da superfície e seu escudo térmico já está brilhando.
Por que atrasar é importante
O longo intervalo entre a fusão e a emissão não é uma curiosidade – é por isso que o Sol queima continuamente, em vez de explodir ou piscar. A região radiante atua como um enorme amortecedor térmico. Se a fusão do núcleo parasse repentinamente amanhã, a superfície do Sol continuaria a arder durante milhares de anos, essencialmente inalterada. O pipeline de energia já em trânsito é profundo.
Isto significa que o calor da luz solar na Terra hoje quase não carrega nenhuma informação sobre o que o núcleo do Sol está fazendo neste momento. Para as principais descobertas atuais, os astrônomos confiam nos neutrinos, não na luz. Fóton é notícia velha.
O comportamento fora do Sol, por outro lado, é rápido e violento. Explosões solares e ejeções de massa coronal As erupções ocorrem numa escala de minutos e os seus efeitos podem atingir a Terra em horas ou dias. Esses eventos ocorrem na coroa e na fotosfera, acima do interior profundo, onde ocorrem eventos lentos. Para compreender a escala do temperamento do Sol exterior, considere que uma única ejeção de massa coronal pode lançar mil milhões de toneladas de plasma através do Sistema Solar num dia.
Luz antiga em uma manhã moderna
Todas as plantas do planeta estão a extrair dióxido de carbono do ar esta tarde, impulsionadas pela energia que começou a sua viagem quando o Sahara ainda era verde e as pessoas desenhavam bisões nas muralhas de Lascaux. A fotossíntese está acontecendo em tempo real. Sem combustível.
Os painéis solares, da mesma forma, estão captando energia mais antiga que a agricultura. Um fio de luz solar de 22 watts em um pequeno painel representa a reação que ocorreu quando os últimos mamutes morreram na Ilha Wrangell. Não existe maneira mais rápida. Não discute a física do plasma denso.
O Sol não é fogo no sentido comum. É um reservatório com gotejamento muito lento e bica muito rápida. O que aparece na superfície como uma luz constante e ardente é na verdade a ponta de um oleoduto que se estende profundamente na história pré-histórica – e a luz que aquecerá os seus netos já está em trânsito há mais tempo do que a civilização existe.
Oito minutos para cruzar o abismo entre os mundos. A própria estrela percorreu as últimas centenas de milhares de quilômetros de cem mil anos. A parte difícil, como sempre, é sair pela porta.
