Tal como uma avalanche que começa com uma pequena mudança antes de descer, as novas observações mostram que as erupções solares começam com perturbações magnéticas subtis que se intensificam rapidamente. Cientistas que utilizaram a sonda Solar Orbiter liderada pela Agência Espacial Europeia (ESA) descobriram que estas mudanças iniciais podem rapidamente transformar-se em erupções violentas, criando uma cascata dramática de bolhas de plasma luminosas que caem através da atmosfera do Sol muito depois de a erupção principal ter atingido o seu pico.
Esta visão vem de uma das imagens mais detalhadas já capturadas de uma grande explosão solar. O evento foi registado durante a passagem mais próxima do Sol da Solar Orbiter, em 30 de setembro de 2024, e está descrito num estudo publicado hoje (21 de janeiro). Astronomia e Astrofísica.
O que desencadeia uma explosão solar
As explosões solares estão entre as explosões mais poderosas do sistema solar. Eles ocorrem quando uma grande quantidade de energia armazenada em um campo magnético distorcido é liberada repentinamente por meio de um processo conhecido como reconexão magnética. Durante a reconexão, as linhas do campo magnético apontando em direções opostas se rompem e se reconectam em uma nova configuração. Este rápido rearranjo pode aquecer o plasma a milhões de graus e ejetar partículas energéticas para longe do local, criando uma explosão solar.
As explosões mais poderosas podem desencadear uma reação em cadeia que atinge a Terra, iniciando tempestades geomagnéticas e, por vezes, interrompendo as comunicações de rádio. Devido a estes efeitos potenciais, os cientistas estão interessados em compreender exatamente como a aprendizagem começa e se desenvolve.
Durante anos, o mecanismo preciso por trás da capacidade do Sol de liberar tanta energia em minutos não era claro. Agora, uma rara combinação de observações de quatro instrumentos orbitais solares trabalhando em conjunto forneceu a imagem mais completa de como uma erupção se desenrola desde os seus primeiros momentos.
Um raro avistamento do nascimento de uma explosão solar
O Extreme Ultraviolet Imager (EUI) da Solar Orbiter capturou imagens extraordinariamente detalhadas da atmosfera exterior do Sol, conhecida como coroa, resolvendo características ao longo de apenas algumas centenas de quilómetros e registando alterações a cada dois segundos. Ao mesmo tempo, três instrumentos adicionais, SPICE, STIX e PHI, estudaram diferentes camadas do Sol, desde a coroa quente até à superfície visível ou fotosfera.
Juntas, estas observações permitiram aos cientistas acompanhar a formação da explosão durante cerca de 40 minutos, uma oportunidade que raramente ocorre devido à janela de observação limitada e às limitações dos dados a bordo.
“Tivemos muita sorte em poder ver os precursores desta grande explosão com tão belos detalhes,” disse Pradeep Chitta do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar em Göttingen, Alemanha, e principal autor do artigo. Essas observações detalhadas de alta cadência de uma explosão nem sempre são possíveis devido à janela de observação limitada e ao fato de que tais dados ocupam muito espaço na memória do computador de bordo da espaçonave. Estávamos realmente no lugar certo, na hora certa, para capturar os detalhes desta explosão.”
Avalanches magnéticas em ação
Quando o EUI começou a observar a região às 23h06, Tempo Universal (UT), cerca de 40 minutos antes de a erupção atingir o seu pico, revelou um filamento escuro e arqueado feito de campos magnéticos torcidos e plasma. Esta estrutura estava associada a um padrão em forma de cruz de linhas de campo magnético que gradualmente se iluminavam. (Veja o link do vídeo no final do artigo.)
A visão aproximada mostra que novos fios magnéticos apareceram em quase todos os quadros da imagem, aproximadamente a cada dois segundos ou menos. Cada fio foi restringido pela força magnética e torcido lentamente, como uma corda bem enrolada.
À medida que mais fios se formam e se torcem, a região fica desestabilizada. Ganhando impulso como uma avalanche, as estruturas magnéticas começam a quebrar e a reconectar-se em rápida sucessão. Isto desencadeou uma cadeia crescente de perturbações, cada uma mais forte que a anterior, visíveis como explosões repentinas de brilho.
Às 23h29 UT, ocorreu um brilho particularmente intenso. Logo, o filamento escuro se rompeu e disparou para fora, desenrolando-se violentamente enquanto se movia. Quando a explosão principal explodiu às 23:47 UT, flashes brilhantes de reconexão foram vistos ao longo de sua extensão com detalhes notáveis.
“Estes minutos antes da erupção são cruciais e a Solar Orbiter deu-nos uma janela para a base da erupção, onde o processo de avalanche começou”, disse Pradeep. “Perguntámo-nos como é que a grande chama é impulsionada por uma série de pequenos eventos de reconexão que se espalham rapidamente através do espaço e do tempo.”
Explosões solares como uma reação em cadeia em cascata
Os cientistas há muito que sugerem que as avalanches poderiam explicar o comportamento colectivo das inúmeras pequenas erupções do Sol e de outras estrelas. Até agora, não estava claro se o mesmo conceito se aplicava a flares únicos e grandes.
Estes novos resultados mostram que uma grande explosão não precisa ser uma explosão unificada. Em vez disso, pode emergir de muitos eventos de recombinação menores que interagem entre si e formam uma poderosa cascata.
Chovendo bolhas de plasma
Utilizando medições combinadas dos instrumentos SPICE e STIX, a equipa de investigação conseguiu estudar como esta rápida sequência de eventos de reconexão depositou energia nas camadas superiores da atmosfera do Sol com um detalhe sem precedentes.
Os raios X de alta energia desempenharam um papel fundamental nesta análise, pois revelam onde as partículas aceleradas libertam a sua energia. Como essas partículas podem escapar para o espaço e representar um risco para os satélites da Terra, os astronautas e até mesmo a tecnologia, compreender o seu comportamento é essencial para prever o clima espacial.
Durante a erupção de 30 de setembro, a emissão ultravioleta e de raios X já estava a aumentar lentamente quando o SPICE e o STIX iniciaram as suas observações. À medida que a explosão se intensificou, a emissão de raios X aumentou dramaticamente, acelerando as partículas a 40 a 50 por cento da velocidade da luz, ou cerca de 431 a 540 milhões de km/h. Os dados mostram a transferência de energia do campo magnético diretamente para o plasma circundante durante a reconexão.
“Vimos formações semelhantes a fitas movendo-se muito rapidamente pela atmosfera do Sol, mesmo antes da fase principal de combustão”, disse Pradeep. “Essas correntes de ‘bolhas de plasma chovendo’ são assinaturas de deposição de energia, que se tornam mais fortes à medida que a erupção aumenta. Mesmo depois que a erupção diminui, a chuva continua por algum tempo. Esta é a primeira vez que vemos isso neste nível de detalhe espacial e temporal na coroa solar.
Resfriamento após jateamento
Após a fase mais intensa da erupção, as imagens do EUI mostram o relaxamento da estrutura magnética original em forma de cruz. Ao mesmo tempo, STIX e SPICE registraram uma redução no resfriamento do plasma e nas emissões de partículas para níveis normais. O PHI observou o efeito da expansão na superfície visível do Sol, completando uma visão tridimensional de todo o fenômeno.
“Não esperávamos que o processo de avalanche pudesse levar a partículas de tão alta energia”, disse Pradeep. “Ainda temos muito a explorar neste processo, mas missões futuras exigirão imagens de raios X de resolução muito maior para isolá-lo verdadeiramente”.
Uma nova compreensão das explosões solares
“Este é um dos resultados mais emocionantes de uma sonda solar até à data,” disse Miho Janvier, cientista do co-projecto Solar Orbiter da ESA. “As observações da órbita solar revelam o motor central de uma erupção e enfatizam o importante papel de um processo de libertação de energia magnética semelhante a uma avalanche. Uma possibilidade interessante é se este processo ocorre em todas as estrelas de Lear e outras estrelas em chamas.”
“Estas observações emocionantes, captadas com um detalhe incrível e quase instantaneamente, permitem-nos ver como uma sequência de pequenos eventos se transforma numa enorme explosão de energia,” disse David Pontin, da Universidade de Newcastle, na Austrália, co-autor do artigo.
Ele acrescentou: “Ao comparar as observações do EUI com as observações do campo magnético, fomos capazes de dissecar a cadeia de eventos que levou à erupção. O que observamos desafia as teorias existentes para a liberação de energia da explosão e, com observações adicionais, nos permitirá refinar essas teorias para melhorar a nossa compreensão.”
Sobre a missão Solar Orbiter
O Solar Orbiter é uma missão conjunta entre a ESA e a NASA e é operado pela ESA. O Extreme Ultraviolet Imager (EUI) é liderado pelo Observatório Real da Bélgica (ROB). O Imageador Polarimétrico e Heliossísmico (PHI) é liderado pelo Instituto Max Planck de Pesquisa do Sistema Solar (MPS), Alemanha. Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) é um instrumento liderado pela Europa e operado pelo Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) em Paris, França. Espectrômetro e telescópio de raios X STIX liderado por FHNW, Windisch, Suíça.
