Tal como uma avalanche que começa com uma pequena mudança antes de cair em cascata, as novas observações mostram que as erupções solares começam com perturbações magnéticas subtis que se intensificam rapidamente. Cientistas que utilizaram a sonda Solar Orbiter da Agência Espacial Europeia (ESA) descobriram que estas mudanças iniciais podem rapidamente transformar-se em erupções poderosas, criando uma cascata dramática de bolhas de plasma brilhantes que caem através da atmosfera do Sol muito depois de a erupção principal ter atingido o pico.
Esta visão vem de uma das imagens mais detalhadas de uma grande explosão solar já obtida. O evento foi capturado durante o sobrevôo próximo do Sol pelo 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 causa uma explosão solar
As explosões solares são algumas das explosões mais poderosas do sistema solar. Eles ocorrem quando grandes quantidades de energia armazenada em campos magnéticos distorcidos são liberadas repentinamente 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 expulsar as partículas energizadas do lugar, criando uma explosão solar.
As explosões mais poderosas podem causar uma reação em cadeia que atinge a Terra, causando tempestades geomagnéticas e, às vezes, interrompendo as comunicações de rádio. Devido a estes impactos potenciais, os cientistas querem compreender exatamente como os surtos começam e se desenvolvem.
Durante anos, o mecanismo exato por trás da capacidade do Sol de liberar uma energia tão enorme em questão de minutos permaneceu obscuro. Agora, uma rara combinação de observações de quatro instrumentos Solar Orbiter trabalhando em conjunto fornece a imagem mais completa de como a erupção se desenvolveu desde os seus primeiros momentos.
Um raro olhar sobre o nascimento de uma explosão solar
O Extreme Ultraviolet Imager (EUI) da Solar Orbiter tirou fotos extremamente detalhadas da atmosfera externa do Sol, conhecida como coroa, resolvendo características com apenas algumas centenas de quilômetros de diâmetro e registrando mudanças a cada dois segundos. Ao mesmo tempo, três instrumentos adicionais, SPICE, STIX e PHI, sondaram as várias camadas do Sol, desde a coroa quente até à superfície visível ou fotosfera.
Juntas, estas observações permitiram aos cientistas acompanhar a formação da erupção durante cerca de 40 minutos, uma oportunidade que raramente ocorre devido às janelas de observação limitadas e às limitações de dados internos.
“Temos muita sorte em testemunhar os eventos precursores desta grande explosão com detalhes tão belos,” afirma Pradeep Chitha do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar em Göttingen, Alemanha, e principal autor do artigo. “Essas observações detalhadas de uma explosão de alta cadência não são sempre possíveis devido às janelas de observação limitadas e porque esses dados 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 esta região às 23h06, Tempo Universal (UT), cerca de 40 minutos antes de a erupção atingir o seu pico, detectou um filamento escuro em forma de arco composto por campos magnéticos torcidos e plasma. Esta estrutura estava associada a um padrão cruciforme de linhas de campo magnético que gradualmente se tornou mais brilhante. (Veja o link do vídeo abaixo do artigo.)
Uma visão mais detalhada mostrou que novos filamentos magnéticos apareciam em quase todos os quadros da imagem, a cada dois segundos ou menos. Cada fio permaneceu limitado por forças magnéticas e gradualmente torcido, parecendo cordas fortemente torcidas.
À medida que mais filamentos se formavam e se torciam, a região tornava-se instável. Como uma avalanche ganhando impulso, as estruturas magnéticas começaram a entrar em colapso e a se reconstruir rapidamente. Isso fez com que uma cadeia de explosões se espalhasse, cada uma mais forte que a anterior, visíveis como flashes repentinos de brilho.
Às 23h29 UT houve uma iluminação particularmente intensa. Logo depois, um fio escuro se rompeu de um lado e voou para fora, desenrolando-se violentamente enquanto se movia. Flares de reconexão brilhantes apareceram ao longo de seu comprimento com detalhes incomuns quando o flare principal irrompeu por volta das 23:47 UT.
“Aqueles minutos antes da erupção são extremamente importantes, e a Solar Orbiter deu-nos uma janela directamente para a base da erupção, onde o processo de avalanche começou,” diz Pradeep. “Ficamos surpresos ao ver como uma grande explosão é impulsionada por uma série de eventos menores de reconexão que se espalham rapidamente no espaço e no tempo”.
Explosões solares como reações em cadeia em cascata
Os cientistas há muito que suspeitam 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 uma única tocha grande.
Estes novos resultados mostram que o grande flash não precisa ser uma única explosão. Em vez disso, pode surgir de muitos eventos menores de religação que interagem e se complementam para formar uma poderosa cascata.
Chuva de pontos de plasma
Usando medições combinadas dos instrumentos SPICE e STIX, a equipa de investigação conseguiu estudar como esta rápida sequência de eventos de reconexão deposita energia na atmosfera superior do Sol com um detalhe sem precedentes.
Os raios X de alta energia desempenharam um papel fundamental nesta análise porque mostram onde as partículas aceleradas libertam a sua energia. Como essas partículas podem voar para o espaço e representar um perigo para satélites, astronautas e até mesmo para a tecnologia na Terra, compreender o seu comportamento é fundamental para prever o clima espacial.
Durante a explosão de 30 de setembro, as emissões de UV e raios X já estavam 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 velocidades entre 40 e 50 por cento da velocidade da luz, ou cerca de 431 a 540 milhões de km/h. Os dados também mostraram que durante a reconexão, a energia se move diretamente dos campos magnéticos para o plasma circundante.
“Vimos objetos em forma de fita movendo-se extremamente rápido na atmosfera do Sol, mesmo antes do episódio da erupção principal”, diz Pradeep. “Esses fluxos de ‘pontos de plasma chovendo’ são sinais de deposição de energia que ficam cada vez mais fortes à medida que a erupção avança. Mesmo depois que o flash 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 erupção
Após a fase mais intensa do flash ter passado, as imagens do EUI mostraram relaxamento da estrutura magnética cruciforme original. Ao mesmo tempo, STIX e SPICE registaram um arrefecimento 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 um processo de avalanche pudesse produzir partículas de energia tão elevada”, diz Pradeep. “Ainda temos muito a explorar neste processo, mas serão necessárias imagens de raios X de resolução ainda mais alta de missões futuras para realmente desvendar”.
Nova compreensão das explosões solares
“Este é um dos resultados mais emocionantes da Solar Orbiter até à data”, diz Micha Janvier, co-autor do projecto Solar Orbiter da ESA. “As observações da Solar Orbiter revelam o motor central da erupção e destacam o papel crítico do mecanismo de libertação de energia magnética semelhante a uma avalanche em funcionamento. Se este mecanismo ocorre em todas as explosões e outras explosões estelares é uma perspectiva interessante.”
“Estas observações fascinantes, registadas com um detalhe incrível e quase momento a momento, permitiram-nos ver como uma sequência de pequenos eventos se transforma 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 desvendar a cadeia de eventos que levou à erupção. O que observámos desafia as teorias existentes sobre a libertação de energia da erupção e, juntamente com observações adicionais, permitir-nos-á refinar estas teorias para melhorar a nossa compreensão.”
Sobre a missão Solar Orbiter
Solar Orbiter é uma missão conjunta ESA-NASA gerida pela ESA. O Extreme Ultraviolet Imager (EUI) é operado pelo Royal Observatory of Belgium (ROB). O Imageador Polarimétrico e Heliossísmico (PHI) é operado pelo Instituto Max Planck de Pesquisa do Sistema Solar (MPS), Alemanha. Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) é um instrumento europeu operado pelo Instituto de Astrofísica Espacial (IAS) em Paris, França. O espectrômetro e telescópio de raios X STIX é liderado pela FHNW, Windisch, Suíça.
