A incrível temperatura da Coroa Solar

A temperatura na coroa solar, a camada mais externa da atmosfera solar, atingem mais de 2 milhões de graus °C, enquanto que em pouco mais de 1.000 km abaixo, a superfície solar tem temperaturas na ordem de 10000 °C, como isso acontece? Bem, isso contínua sendo uma das maiores questões não respondidas da física solar.

Hoje, 11 de agosto, uma missão histórica começa. O lançamento da sonda Parker, que voará próxima coroa solar, buscando novas pistas para entender alguns mistérios da física solar.

Da Terra a aparência do Sol é silenciosa e imutável, porém ela é bem diferente quando nos aproximamos. Sua superfície turbulenta é abalada por erupções e intensas explosões de radiação, que espalham matéria solar (partículas) em altas velocidades para todos os cantos do sistema solar.

A atmosfera solar, se estender por milhões de quilômetros por todo sistema solar, envolvendo também a Terra, que está protegida das partículas solares graças a blindagem do campo geomagnético. Assim sendo, nos humanos, vivemos bem dentro da atmosfera estendida do nosso Sol.

Eventualmente algumas atividades solares podem desencadear alguns efeitos no planeta Terra, com potencial de interromper as comunicações de rádio, danificar equipamentos em satélites, prejudicar as atividades dos astronautas e em situações mais graves, interferir nas redes elétricas na superfície da Terra. Em outras palavras, interferindo no clima espacial. Um caso clássico das consequências na vida moderna do ambiente espacial Sol-Terra, foi a queda de energia que durou nove horas em Quebec, Canadá em 1989, devido as intensas variações provocadas no campo geomagnético.

Assim, o Sol, tem a capacidade não somente de aquecer a Terra, mas também de interferir na vida moderna. Entender completamente a coroa solar e todos os seus segredos é entender não apenas a estrela que alimenta a vida na Terra, mas também o próprio espaço ao nosso redor.

Um problema muito antigo

Grande parte do nosso conhecimento sobre a coroa solar foi aprendida com os estudos sobre os eclipses solares totais. Antes de toda a tecnologia espacial, a única maneira de aprender sobre a coroa solar era usar o bloqueio da lua para conseguir delinear melhor atmosfera solar.

O problema do aquecimento coronal começa 1989 quando uma linha de emissão verde (539 nm) é observada.

Diferentes elementos emitem luz em comprimentos de onda característicos, os cientistas, no entanto, não compreendiam que tipo de elemento poderia emitir radiação neste comprimento de onda nas condições solares imaginadas.

Assim, imaginava-se que talvez tivessem descoberto um novo elemento químico. E assim chamaram de coronium. Porém, 70 anos depois, descobriu-se experimentalmente, que não era nenhum elemento novo, mais sim uma emissão provocada pelo Ferro ionizado(Fe+13), perdendo então metade de seus elétrons.

Porém, para isso acontecer, os cientistas estimaram que os níveis tão altos de ionização exigiriam temperaturas em torno de 2 milhões de graus C. Quase 200 vezes a temperatura da superfície solar.

Por décadas, essa linha verde enganosamente simples tem sido o grande desafio da ciência solar, desconcertando os cientistas que não conseguem explicar sua existência. Desde a identificação de sua fonte, chegamos a entender que o quebra-cabeça é ainda mais complexo do que apareceu pela primeira vez.

Desde a descoberta da coroa solar superquente, cientistas e engenheiros trabalham para entender seu comportamento. Eles desenvolveram modelos e instrumentos poderosos e lançaram espaçonaves que vigiam o Sol o tempo todo. Mas mesmo os modelos mais complexos e as observações de alta resolução só podem explicar parcialmente o aquecimento coronal. Além disso há o problema de estudar a coroa solar de longe.

Podemos viver dentro da atmosfera expansiva do Sol, mas a coroa e o plasma solar próximo de nosso planeta é bem diferente de sua origem.

A viagem ao Sol

A viagem das partículas entre o Sol e a Terra, leva em torno de quatro dias, podendo então serem misturadas com partículas e poeira espacial do meio interplanetário. Desta forma, perdem muito das suas características iniciais.

Ao viajar para a coroa, a Sonda Solar da Parker irá coletar partículas recém-aquecidas, removendo as incertezas de uma jornada de 150 milhões de quilometros e enviando de volta à Terra as medidas mais primitivas da coroa já registradas.

Viajar para o Sol é uma ideia mais antiga da NASA, mas levou décadas para projetar a tecnologia que torna sua jornada possível . Naquela época, os cientistas determinaram exatamente quais tipos de dados e instrumentos, eles precisariam para responder essas últimas questões.

A Sonda Solar da Parker testará duas principais teorias principais para explicar o aquecimento coronal. As camadas externas do Sol estão constantemente fervendo e se agitando com energia mecânica. À medida que as células massivas de plasma carregado passam, seu movimento fluido gera campos magnéticos complexos que se estendem até a coroa. De alguma forma, os campos emaranhados canalizam essa energia para a coroa como calor. Uma teoria propõe que as ondas eletromagnéticas são a fonte do calor extremo da coroa. Talvez esse movimento de ebulição lance ondas magnéticas, chamadas de ondas Alfvén, que enviam partículas carregadas e aquecendo a atmosfera. Outra hipótese sugere que explosões, chamadas nanoflares, na superfície do Sol, depositem calor na atmosfera solar. A ebulição turbulenta no Sol torce e contorce as linhas de campo magnético, acumulando tensão até que elas estalam explosivamente, como um elástico de borracha, acelerando e aquecendo as partículas em seu rastro.

As duas hipóteses não são necessariamente exclusivas. De fato, para complicar, muitos cientistas acham que ambos podem estar envolvidos no aquecimento da coroa. Às vezes, por exemplo, a reconexão magnética que dispara um nanoflare também pode lançar ondas de Alfvén, que então aquecem ainda mais o plasma circundante.

A outra grande questão é: com que frequência esses processos acontecem — constantemente ou em explosões distintas?

Descobrindo as evidências

Quando a Sonda Solar Parker chegar à coroa, como ela irá distinguir se as ondas ou os nanoflares impulsionam o aquecimento? Enquanto a espaçonave carrega quatro suítes de instrumentos para uma variedade de tipos de pesquisa, duas em particular obterão dados úteis para resolver o mistério do aquecimento coronal: o experimento FIELDS e o SWEAP.

O Experimento FIELDS, liderado pela Universidade da Califórnia, Berkeley, mede diretamente campos elétricos e magnéticos, a fim de compreender os choques, ondas e eventos de reconexão magnética que aquecem o vento solar.

O SWEAP — liderado pelo Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory em Cambridge, Massachusetts — é a metade complementar da investigação, reunindo dados sobre o aquecimento do plasma. Ele conta as partículas mais abundantes no vento solar, elétrons, prótons e íons de hélio, e mede sua temperatura, a velocidade com que estão se movendo depois de aquecidas e em que direção.

Juntos, os dois instrumentos pintam uma imagem dos campos eletromagnéticos que se acredita serem responsáveis ​​pelo aquecimento, assim como as partículas solares aquecidas que passam pela coroa. As chaves para o sucesso são medições de alta resolução, capazes de resolver interações entre ondas e partículas em meras frações de segundo.

A Sonda Solar da Parker irá percorrer 6 milhões de km da superfície do Sol. Esta parte da coroa é um território totalmente inexplorado, e os cientistas esperam vistas diferentes de tudo o que viram antes. Alguns acham que o plasma lá será fino e tênue, como nuvens cirros. Ou talvez pareça com estruturas maciças de limpeza de cachimbo irradiando do Sol. Mas os cientistas estão confiantes de que tem as ferramentas para responder às suas perguntas.

Há uma ansiedade e entusiasmo entre os cientistas solares: a missão da Parker Solar Probe marca um momento decisivo na história da astrofísica, e eles têm uma chance real de desvendar os mistérios que confundem seu campo há quase 150 anos.

Também é inteiramente possível que nem sequer tenhamos concebido as maiores descobertas por vir. É difícil prever como a solução do aquecimento coronal mudará nossa compreensão do espaço ao nosso redor, mas descobertas fundamentais como essa têm a capacidade de mudar a ciência e a tecnologia para sempre. A jornada da Parker Solar Probe leva a curiosidade humana a uma região nunca vista do sistema solar, onde cada observação é uma descoberta em potencial.

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Referencias

Nature news : Death-defying NASA mission will make humanity’s closest approach to the Sun

Nasa: NASA’s Parker Solar Probe and the Curious Case of the Hot Corona

Hargreaves JK. The solar Terrestrial environment. Cambridge University Press. 1995.

Morison Ian. Introduction to Astronomy and Cosmology, Wiley-Blackwell.2008