Dados de sonda da Nasa revolucionam o que sabemos sobre o Sol

Pouco mais de um ano após seu lançamento, a Parker Solar Probe, que voa perto do Sol, já reuniu informações que deverão transformar a ciência e as viagens espaciais

Parker Solar Probe perto do Sol: em apenas um ano de missão, uma profusão de dados que surpreendem os cientistas. Crédito: Goddard Space Flight Center, Nasa

Em agosto de 2018, a sonda Parker Solar Probe, da Nasa, foi lançada ao espaço e logo se tornou a espaçonave mais próxima do Sol. Com instrumentos científicos de ponta para medir o ambiente em torno da espaçonave, a sonda concluiu três das 24 passagens planejadas por partes nunca antes exploradas da corona, a atmosfera do Sol. Em 4 de dezembro de 2019, quatro novos artigos na revista “Nature” descrevem o que os cientistas aprenderam com essa exploração sem precedentes de nossa estrela e o que esperam aprender a seguir.

Essas descobertas revelam novas informações sobre o comportamento do material e das partículas que se afastam do Sol, aproximando os cientistas de responder a perguntas fundamentais sobre a física de nossa estrela. Na busca para proteger astronautas e tecnologia no espaço, as informações que a Parker descobriu sobre como o Sol ejeta constantemente material e energia ajudarão os cientistas a reescrever os modelos que usamos para entender e prever o clima espacial ao redor do nosso planeta e entender o processo pelo qual as estrelas são criadas e evoluem.

“Esses primeiros dados de Parker revelam nossa estrela, o Sol, de maneiras novas e surpreendentes”, disse Thomas Zurbuchen, administrador associado de ciências da sede da Nasa em Washington. “Observar o Sol de perto, e não de uma distância muito maior, nos dá uma visão sem precedentes dos fenômenos solares importantes e de como eles nos afetam na Terra, além de fornecer novas ideias relevantes para a compreensão das estrelas ativas nas galáxias. É apenas o começo de um momento incrivelmente emocionante para a heliofísica com a Parker na vanguarda de novas descobertas.”

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Agitação constante

Embora possa parecer calmo para nós aqui na Terra, o Sol está muitíssimo longe de ser tranquilo. Nossa estrela é magneticamente ativa, liberando poderosas explosões luminosas, dilúvios de partículas se movendo perto da velocidade da luz e nuvens de bilhões de toneladas de material magnetizado. Toda essa atividade afeta o nosso planeta, injetando partículas prejudiciais no espaço onde nossos satélites e astronautas voam, interrompendo as comunicações e os sinais de navegação, e até (quando ela é intensa) provocando a falta de energia. Isso acontece durante toda a vida útil de 5 bilhões de anos do Sol e continuará a moldar os destinos da Terra e dos outros planetas em nosso sistema solar no futuro.

“O Sol fascinou a humanidade por toda a nossa existência”, disse Nour E. Raouafi, cientista do projeto da Parker Solar Probe no Laboratório de Física Aplicada Johns Hopkins, em Laurel, Maryland, que construiu e gerencia a missão da Nasa. “Aprendemos muito sobre nossa estrela nas últimas décadas, mas realmente precisávamos de uma missão como a Parker Solar Probe para entrar na atmosfera do Sol. É só aí que podemos realmente aprender os detalhes desses complexos processos solares. E o que aprendemos apenas nessas três órbitas solares mudou muito do que sabemos sobre o Sol.”

O que acontece no Sol é fundamental para entender como ele molda o espaço ao nosso redor. A maior parte do material que escapa do Sol faz parte do vento solar, um fluxo contínuo de material solar que banha todo o nosso sistema. Esse gás ionizado, chamado plasma, carrega consigo o campo magnético do Sol, levando-o através do Sistema Solar em uma bolha gigante que se estende por mais de 16 bilhões de quilômetros.

O vento solar dinâmico 

Observado perto da Terra, o vento solar é um fluxo relativamente uniforme de plasma, com ocasionais quedas turbulentas. Mas a essa altura ele já percorreu mais de 150 milhões de quilômetros – e as assinaturas dos mecanismos exatos do Sol para aquecer e acelerar o vento solar são apagadas. Mais perto da fonte do vento solar, a Parker Solar Probe viu uma imagem muito diferente: um sistema ativo e complicado.

“A complexidade era alucinante quando começamos a analisar os dados”, disse Stuart Bale, da Universidade da Califórnia em Berkeley, líder do conjunto de instrumentos FIELDS da Parker Solar Probe, que estuda a escala e a forma dos campos elétricos e magnéticos. “Agora, eu me acostumei. Mas quando mostro aos colegas pela primeira vez, eles ficam impressionados.” Do ponto de vista de Parker, a 24 km do Sol, explicou Bale, o vento solar é muito mais impulsivo e instável do que o que vemos perto da Terra.

Como o próprio Sol, o vento solar é composto de plasma, onde elétrons com carga negativa se separam de íons com carga positiva, criando um mar de partículas flutuantes com carga elétrica individual. Essas partículas flutuantes significam que o plasma carrega campos elétricos e magnéticos, e as mudanças no plasma geralmente deixam marcas nesses campos. Os instrumentos FIELDS pesquisaram o estado do vento solar medindo e analisando cuidadosamente como os campos elétrico e magnético ao redor da espaçonave mudavam ao longo do tempo, juntamente com a medição de ondas no plasma próximo.

Essas medições mostraram reversões rápidas no campo magnético e jatos repentinos e rápidos de material – todas as características que tornam o vento solar mais turbulento. Esses detalhes são essenciais para entender como o vento dispersa a energia à medida que flui para longe do Sol e por todo o Sistema Solar.

Oscilações incomuns

Um tipo de evento em particular chamou a atenção das equipes científicas: oscilações na direção do campo magnético, que flui do Sol, incorporado ao vento solar. Essas reversões (chamadas em inglês de switchbacks) duram de alguns segundos a vários minutos, enquanto fluem sobre a Parker Solar Probe. Durante uma reversão, o campo magnético volta a si próprio até ser apontado quase diretamente de volta ao Sol. Juntos, FIELDS e SWEAP, o conjunto de instrumentos de vento solar liderado pela Universidade de Michigan e gerenciado pelo Observatório Astrofísico do Smithsonian, mediu grupos de interruptores nos dois primeiros sobrevoos da Parker Solar Probe.

As reversões descobertas no vento solar fazem com que o campo magnético se “dobre” – um fenômeno ainda inexplicável que pode ajudar os cientistas a descobrir mais informações sobre como o vento solar é acelerado pelo Sol. Crédito: Goddard Space Flight Center, Nasa/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez

“As ondas têm sido vistas no vento solar desde o início da era espacial, e supusemos que mais perto do Sol elas ficariam mais fortes, mas não esperávamos vê-las se organizar nesses picos de velocidade estruturados coerentes”, disse Justin Kasper, investigador principal do SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons) na Universidade de Michigan em Ann Arbor. “Estamos detectando restos de estruturas do Sol sendo lançadas ao espaço e alterando violentamente a organização dos fluxos e do campo magnético. Isso mudará dramaticamente nossas teorias sobre como a coroa e o vento solar estão sendo aquecidos.”

A fonte exata dos retornos ainda não é conhecida, mas as medições da Parker Solar Probe permitiram que os cientistas reduzissem as possibilidades.

Distúrbios localizados

Entre as muitas partículas que perpetuamente fluem do Sol, há um feixe constante de elétrons em movimento rápido, que percorrem as linhas do campo magnético do Sol para o Sistema Solar. Esses elétrons sempre fluem estritamente ao longo da forma das linhas de campo que se afastam do Sol, independentemente de o polo norte do campo magnético naquela região específica estar apontando na direção do Sol ou para longe dele.

A Parker Solar Probe, porém, mediu esse fluxo de elétrons indo na direção oposta, voltando para o Sol – mostrando que o próprio campo magnético deve estar se curvando em direção ao Sol, em vez de a sonda encontrar apenas uma linha de campo magnético diferente saindo do Sol que aponta para a direção oposta. Isso sugere que os switchbacks são torções no campo magnético – distúrbios localizados que se afastam do Sol, em vez de uma mudança no campo magnético conforme ele emerge do Sol.

As observações da Parker Solar Probe sobre os retornos sugerem que esses eventos se tornarão ainda mais comuns à medida que a espaçonave se aproxima do Sol. O próximo encontro solar da missão, em 29 de janeiro de 2020, levará a sonda mais perto do Sol do que nunca, e poderá lançar uma nova luz sobre esse processo. Essas informações não apenas ajudam a mudar nossa compreensão do que causa o vento solar e o clima espacial ao nosso redor, mas também nos ajudam a entender um processo fundamental de como as estrelas funcionam e como liberam energia em seu ambiente.

O vento solar rotativo

Algumas das medições da Parker Solar Probe estão aproximando os cientistas das respostas às perguntas de décadas atrás. Uma dessas perguntas é sobre como, exatamente, o vento solar flui do Sol.

Perto da Terra, vemos o vento solar fluindo quase radialmente, o que significa que está fluindo diretamente do Sol, direto em todas as direções. Mas o Sol gira enquanto libera o vento solar; antes de ser liberado, o vento solar estava girando junto com ele. É um pouco como crianças andando em um carrossel de parque infantil: a atmosfera gira com o Sol, da mesma forma que a parte externa do carrossel gira, mas quanto mais longe você sai do centro, mais rápido se move no espaço. Uma criança na borda pode pular e, nesse ponto, se mover em linha reta para fora, em vez de continuar girando. De maneira semelhante, há algum ponto entre o Sol e a Terra em que o vento solar passa de girar junto com o Sol para fluir diretamente para o exterior, ou radialmente, como vemos na Terra.

O ponto exato onde o vento solar transita de um fluxo rotacional para um fluxo perfeitamente radial tem implicações em como o Sol libera energia. Encontrar esse ponto pode nos ajudar a entender melhor o ciclo de vida de outras estrelas ou a formação de discos protoplanetários, os densos discos de gás e poeira em torno de estrelas jovens que eventualmente se fundem em planetas.

Força maior

Agora, pela primeira vez – em vez de apenas ver o fluxo direto que vemos perto da Terra –, a Parker Solar Probe conseguiu observar o vento solar enquanto ele ainda estava em rotação. É como se a sonda visse o carrossel girando diretamente pela primeira vez, não apenas as crianças pulando nele.

O instrumento eólico solar da Parker Solar Probe detectou a rotação a mais de 32 milhões de quilômetros do Sol e, à medida que a sonda se aproximava do ponto de periélio, a velocidade da rotação aumentava. A força da circulação era mais forte do que muitos cientistas haviam previsto, mas também fez a transição mais rapidamente do que o previsto para um fluxo externo, que é o que ajuda a mascarar esses efeitos de onde geralmente nos sentamos, a cerca de 150 milhões de quilômetros do Sol.

“O grande fluxo rotacional do vento solar visto durante os primeiros encontros foi uma verdadeira surpresa”, disse Kasper. “Enquanto esperávamos ver o movimento rotacional mais perto do Sol, as altas velocidades que estamos vendo nesses primeiros encontros são quase dez vezes maiores do que o previsto pelos modelos padrão.”

Poeira perto do Sol

Outra pergunta que se aproxima de uma resposta é a indescritível zona livre de poeira. O Sistema Solar está inundado de poeira – as migalhas cósmicas de colisões que formaram planetas, asteroides, cometas e outros corpos celestes bilhões de anos atrás. Os cientistas suspeitam há muito tempo que, perto do Sol, essa poeira seria aquecida a altas temperaturas pela poderosa luz solar, transformando-a em gás e criando uma região livre de poeira ao redor do Sol. Mas ninguém nunca tinha observado isso.

Pela primeira vez, os equipamentos fotográficos da Parker Solar Probe viram a poeira cósmica começar a diminuir. Como o WISPR (o instrumento de imagem da Parker Solar Probe, liderado pelo Naval Research Lab) olha pela lateral da espaçonave, ele pode ver grandes faixas da coroa e do vento solar, incluindo regiões mais próximas ao Sol. Essas imagens mostram que a poeira começa a se afinar a pouco mais de 11 milhões de quilômetros do Sol, e essa diminuição de poeira continua constantemente aos limites atuais das medições do WISPR, a pouco mais de 6 milhões de quilômetros do Sol.

“Essa zona livre de poeira foi prevista décadas atrás, mas nunca foi vista antes”, disse Russ Howard, investigador principal da suíte WISPR ( Wide-field Imager for Solar Probe) no Naval Research Laboratory em Washington. “Agora estamos vendo o que está acontecendo com a poeira perto do Sol.”

A partir desses dados, os cientistas esperam ver uma zona verdadeiramente livre de poeira a pouco mais de 2-3 milhões de quilômetros do Sol – o que significa que a Parker Solar Probe poderá observar a zona livre de poeira já em 2020, quando seu sexto sobrevoo do Sol a levará mais perto da nossa estrela do que nunca.

O clima espacial sob um microscópio

As medições da Parker Solar Probe nos deram uma nova perspectiva sobre dois tipos de eventos climáticos espaciais: tempestades de partículas energéticas e ejeção de massa coronal.

Pequenas partículas – elétrons e íons – são aceleradas pela atividade solar, criando tempestades de partículas energéticas. Os eventos no Sol podem enviar essas partículas para o Sistema Solar quase à velocidade da luz, o que significa que atingem a Terra em menos de meia hora e podem impactar outros mundos em escalas de tempo igualmente curtas. Essas partículas carregam muita energia, portanto podem danificar os equipamentos eletrônicos da espaçonave e até mesmo colocar em risco os astronautas, especialmente aqueles no espaço profundo, fora da proteção do campo magnético da Terra. O curto tempo de aviso para a presença dessas partículas dificulta que elas sejam evitadas.

Entender exatamente como essas partículas são aceleradas a velocidades tão altas é crucial. Mas mesmo que elas cheguem à Terra em apenas alguns minutos, ainda é tempo suficiente para que as partículas percam as assinaturas dos processos que as aceleraram em primeiro lugar. Ao girar em torno do Sol a apenas alguns milhões de quilômetros de distância, a Parker Solar Probe pode medir essas partículas logo após deixarem a estrela, lançando uma nova luz sobre como elas são liberadas.

Os instrumentos ISʘIS da Parker Solar Probe, liderados pela Universidade de Princeton, já mediram vários eventos de partículas energéticas nunca antes vistos – eventos tão pequenos que todos os vestígios deles são perdidos antes de chegarem à Terra ou a qualquer um de nossos satélites próximos à Terra. Esses instrumentos também mediram um tipo raro de explosão de partículas com um número particularmente alto de elementos mais pesados, sugerindo que ambos os tipos de eventos podem ser mais comuns do que os cientistas pensavam anteriormente.

Produção inesgotável

“É incrível: mesmo em condições mínimas solares, o Sol produz muito mais eventos minúsculos de partículas energéticas do que jamais imaginamos”, disse David McComas, pesquisador principal da Investigação Científica Integrada da suíte Sun, ou ISʘIS, da Universidade de Princeton, em Nova Jersey. “Essas medidas nos ajudarão a desvendar as fontes, a aceleração e o transporte de partículas energéticas solares e, finalmente, protegerão melhor os satélites e os astronautas no futuro.”

Os dados dos instrumentos WISPR também forneceram detalhes sem precedentes sobre as estruturas da coroa e do vento solar – incluindo a ejeção de massa coronal (CME, na sigla em inglês), nuvens de bilhões de toneladas de material que o Sol envia para o Sistema Solar. Os CMEs podem desencadear uma série de efeitos na Terra e em outros mundos, desde o surgimento de auroras até a indução de correntes elétricas que podem danificar redes elétricas e oleodutos. A perspectiva única da WISPR, olhando ao lado de eventos que se afastam do Sol, já lançou uma nova luz sobre a gama de ocorrências que nossa estrela pode desencadear.

“Como a Parker Solar Probe estava combinando com a rotação do Sol, pudemos observar o fluxo de material por dias e ver a evolução das estruturas”, disse Howard. “Observações perto da Terra nos fizeram pensar que estruturas finas na corona seguem um fluxo suave, e descobrimos que isso não é verdade. Isso nos ajudará a modelar melhor como os eventos viajam entre o Sol e a Terra.”

Aproximação maior

À medida que a Parker Solar Probe continuar sua jornada, ela fará 21 aproximações mais próximas do Sol a distâncias cada vez mais menores, culminando com três órbitas a meros 3,83 milhões de quilômetros da superfície solar.

“O Sol é a única estrela onde podemos examinar isso de perto”, disse Nicola Fox, diretora da Divisão de Heliofísica da sede da Nasa. “Obter dados na fonte já está revolucionando nosso entendimento de nossa própria estrela e estrelas em todo o universo. Nossa pequena espaçonave está enfrentando condições brutais para enviar para casa revelações surpreendentes e emocionantes.”

Os dados dos dois primeiros encontros solares da Parker Solar Probe estão disponíveis ao público online no endereço https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2019/11/12/first-parker-solar-probe-science-data-released-to-public/.

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