Nave espacial captura a “avalanche magnética” que desencadeia explosões solares gigantes

Esta visão vem de uma das imagens mais detalhadas já capturadas de uma grande explosão solar. O evento foi registrado durante a passagem próxima do Sol pela Solar Orbiter em 30 de setembro de 2024 e é descrito em um estudo publicado hoje (21 de janeiro) em Astronomia e Astrofísica.

O que desencadeia uma explosão solar

As explosões solares estão entre as explosões mais poderosas do sistema solar. Eles ocorrem quando enormes quantidades de energia armazenada em campos magnéticos distorcidos são repentinamente liberadas através de um processo conhecido como 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 energizadas para longe do local, criando uma explosão solar.

As explosões mais fortes podem desencadear uma reação em cadeia que atinge a Terra, desencadeando tempestades geomagnéticas e, por vezes, interrompendo as comunicações de rádio. Devido a estes impactos potenciais, os cientistas estão ansiosos por compreender exatamente como as explosões começam e evoluem.

Durante anos, o mecanismo preciso por trás da capacidade do Sol de liberar uma energia tão vasta em minutos permaneceu obscuro. Agora, uma rara combinação de observações de quatro instrumentos Solar Orbiter trabalhando em conjunto forneceu a imagem mais completa de como uma erupção se desenvolve desde os seus primeiros momentos.

Um raro olhar sobre o 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 com apenas algumas centenas de quilómetros de diâmetro 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 evolução da erupção durante cerca de 40 minutos, uma oportunidade que raramente ocorre devido às janelas de observação limitadas e às restrições de dados a bordo.

“Tivemos muita sorte em testemunhar os eventos precursores desta grande erupção com tão belos detalhes,” afirma 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 não são sempre possíveis devido às janelas de observação limitadas e porque dados como estes ocupam muito espaço na memória do computador de bordo da nave espacial. Estávamos realmente no lugar certo, na hora certa, para captar os detalhes desta explosão.”

Avalanche Magnética 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 em forma de arco feito de campos magnéticos torcidos e plasma. Esta estrutura estava conectada a um padrão em forma de cruz de linhas de campo magnético que gradualmente se tornou mais brilhante. (Veja o link do vídeo abaixo do artigo.)

Vistas de perto mostraram que novos fios magnéticos apareciam em quase todos os quadros da imagem, aproximadamente a cada dois segundos ou menos. Cada fio permaneceu confinado por forças magnéticas e gradualmente torcido, parecendo cordas bem enroladas.

À medida que mais fios se formavam e se torciam, a região tornava-se instável. Como uma avalanche ganhando impulso, as estruturas magnéticas começaram a quebrar e a se reconectar 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 depois, o filamento escuro se desprendeu de um lado e disparou para fora, desenrolando-se violentamente enquanto se movia. Flashes brilhantes de reconexão apareceram ao longo de sua extensão com detalhes extraordinários quando a erupção principal irrompeu por volta das 23:47 UT.

“Estes minutos antes da erupção são extremamente importantes e a Solar Orbiter deu-nos uma janela mesmo na base da erupção, onde o processo de avalanche começou”, diz Pradeep. “Ficámos surpreendidos pela forma como a grande explosão é impulsionada por uma série de eventos de reconexão mais pequenos que se espalham rapidamente no espaço e no tempo.”

Explosões solares como reações em cadeia em cascata

Os cientistas há muito que sugerem que as avalanches poderiam explicar o comportamento colectivo de inúmeras pequenas erupções no Sol e noutras estrelas. Até agora, não estava claro se a mesma ideia se aplicava a um único e grande surto.

Estes novos resultados mostram que uma grande erupção não precisa ser uma explosão unificada. Em vez disso, pode emergir de muitos eventos de reconexão mais pequenos que interagem e se complementam, formando 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 deposita energia nas camadas superiores da atmosfera do Sol com detalhes 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 riscos para satélites, astronautas e até mesmo para tecnologias na Terra, compreender o seu comportamento é essencial para prever o clima espacial.

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

“Vimos formações semelhantes a fitas movendo-se extremamente rapidamente 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 ficam 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 neste nível de detalhe espacial e temporal na coroa solar.

Resfriamento após a erupção

Após a fase mais intensa da erupção ter passado, as imagens do EUI mostraram a estrutura magnética original em forma de cruz relaxando. Ao mesmo tempo, STIX e SPICE registraram resfriamento do plasma e uma queda nas emissões de partículas para níveis normais. O PHI observou os efeitos da explosão 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 neste processo, mas seriam necessárias imagens de raios X de resolução ainda maior de missões futuras para realmente desemaranharmos”.

Uma nova compreensão das explosões solares

“Este é um dos resultados mais entusiasmantes da Solar Orbiter até agora”, afirma Miho Janvier, co-cientista do projecto Solar Orbiter da ESA. “As observações da Solar Orbiter revelam o motor central de uma erupção e enfatizam o papel crucial de um mecanismo de libertação de energia magnética semelhante a uma avalanche em funcionamento. Uma perspectiva interessante é saber se este mecanismo acontece em todas as explosões e noutras estrelas em chamas.”

“Estas observações emocionantes, captadas com um detalhe incrível e quase momento a momento, permitiram-nos ver como uma sequência de pequenos eventos se desencadeou em explosões gigantes de energia,” afirma David Pontin, da Universidade de Newcastle, na Austrália, co-autor do artigo.

Ele acrescenta: “Ao comparar as observações do EUI com as observações do campo magnético, fomos capazes de desembaraçar a cadeia de eventos que levaram à erupção. O que observámos desafia as teorias existentes para a libertação de energia da explosão e, juntamente com observações adicionais, permitir-nos-á refinar essas teorias para melhorar a nossa compreensão.”

Sobre a missão Solar Orbiter

Solar Orbiter é uma missão conjunta entre a ESA e a NASA e é operada 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. A Imagem Espectral do Ambiente Coronal (SPICE) é um instrumento liderado pela Europa e gerido pelo Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) em Paris, França. O espectrômetro e telescópio de raios X STIX é liderado pela FHNW, Windisch, Suíça.