Duas naves espaciais forneceram uma medição inovadora que ajuda a resolver um mistério cósmico de 65 anos – por que a atmosfera do Sol é tão quente. A atmosfera do Sol é chamada de coroa. Consiste em um gás eletricamente carregado chamado plasma, com temperatura de cerca de um milhão de graus Celsius. Sua temperatura é um mistério eterno, já que a temperatura da superfície do Sol é de apenas 6.000 graus Celsius. A coroa deveria ser mais fria que a superfície porque a energia do Sol vem da fornalha nuclear em seu núcleo, e quanto mais longe você estiver da fonte de calor, mais fria ela naturalmente se torna.No entanto, a temperatura da coroa é mais de 150 vezes superior à da superfície. Deve haver outro método de transferência de energia para o plasma em funcionamento, qual é?
Nesta imagem capturada pelo instrumento Metis da Solar Orbiter, a atmosfera exterior do Sol, conhecida como coroa, pode ser vista estendendo-se para o espaço. Metis é um dispositivo de vários comprimentos de onda que opera em comprimentos de onda visíveis e ultravioleta. É um coronógrafo, o que significa que bloqueia a luz solar intensa da superfície do Sol, tornando visível a luz mais fraca espalhada pelas partículas na coroa. Nesta imagem, o disco vermelho desfocado representa o coronógrafo, enquanto o disco branco é uma máscara usada para comprimir o tamanho da imagem para reduzir a quantidade de dados de downlink desnecessários. Crédito da imagem: ESA e NASA/Solar Orbiter/Metis Group; D. Telloni et al. (2023)
Desafios teóricos e investigativos
Há muito se suspeita que a turbulência na atmosfera solar causa aquecimento substancial do plasma na coroa. Mas ao estudar este fenómeno, os físicos solares encontraram um problema prático: era impossível recolher todos os dados necessários com apenas uma nave espacial.
Existem dois métodos de estudar o Sol: sensoriamento remoto e medições in situ. Nas medições de sensoriamento remoto, uma espaçonave é colocada à distância e usa câmeras para observar o sol e sua atmosfera em diferentes comprimentos de onda. Numa medição in-situ, a sonda sobrevoa a área que pretende estudar, fazendo medições de partículas e campos magnéticos naquela parte do espaço.
Ambos os métodos têm suas vantagens. O sensoriamento remoto pode mostrar resultados em larga escala, mas não pode mostrar os detalhes dos processos que ocorrem no plasma. Ao mesmo tempo, as medições in situ podem fornecer informações altamente específicas sobre processos de pequena escala no plasma, mas não podem mostrar como esses processos afetam os processos de grande escala.
Levantamento de nave espacial dupla
Para obter a imagem completa, seriam necessárias duas espaçonaves. Isso é exatamente o que os heliofísicos têm atualmente, com a espaçonave Solar Orbiter liderada pela ESA e a Parker Solar Probe da NASA. O Solar Orbiter foi projetado para chegar o mais próximo possível do Sol enquanto realiza operações de sensoriamento remoto e medições in-situ. A Parker Solar Probe desistiu em grande parte do sensoriamento remoto do próprio sol, aproximando-se do sol para fazer medições no local.
Mas para aproveitar ao máximo a sua complementaridade, a Parker Solar Probe deve estar dentro do campo de visão de um dos instrumentos da Solar Orbiter. Desta forma, a Solar Orbiter pode registar a grande quantidade de dados gerados pelas medições in-situ da Parker Solar Probe.
A Solar Orbiter da ESA é uma das duas naves espaciais complementares que estudam o Sol de perto: junta-se à Parker Solar Probe da NASA na sua missão. Créditos da imagem: Solar Orbiter: ESA/ATGmedialab; Sonda Solar Parker: NASA/Johns Hopkins APL
coordenação astrofísica
Daniele Telloni, pesquisadora do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) no Observatório Astrofísico de Turim, é membro da equipe por trás do instrumento Metis da Solar Orbiter. Metis é um coronógrafo que bloqueia a luz da superfície do Sol e tira fotos da coroa. Era o instrumento perfeito para medições em grande escala, por isso Danielle decidiu descobrir quando a Sonda Solar Parker se alinharia.
Ele descobriu que em 1º de junho de 2022, as duas espaçonaves estarão na configuração orbital correta – quase. Essencialmente, o Solar Orbiter estará olhando para o sol, enquanto o Parker Solar Probe estará ao lado, muito próximo, mas fora do campo de visão do instrumento Métis.
Quando Daniel viu o problema, percebeu que trazer a Sonda Solar Parker à vista exigiria apenas uma pequena manobra na Solar Orbiter: girá-la 45 graus e apontá-la ligeiramente para longe do sol.
Mas cada movimento de uma missão espacial é cuidadosamente planejado com antecedência, e a própria espaçonave é projetada para apontar apenas em direções muito específicas, especialmente quando se trata do terrível calor do sol. Não está claro se a equipe de operações da espaçonave aprovaria tal desvio. Contudo, assim que o potencial resultado científico se tornou claro para todos, a decisão foi um inequívoco “sim”.
A missão Solar Orbiter da ESA enfrentará o Sol a partir da órbita de Mercúrio durante a sua maior aproximação ao Sol. Fonte da imagem: ESA/ATGmedialab
Observações inovadoras
A rotação e a deflexão continuaram; A Parker Solar Probe apareceu e, pela primeira vez, as duas espaçonaves mediram simultaneamente a estrutura em grande escala da coroa e as propriedades microfísicas do plasma.
“Este trabalho é o resultado da contribuição de muitas, muitas pessoas”, disse Daniel, que liderou a análise do conjunto de dados. Trabalhando juntos, produziram as primeiras observações abrangentes e estimativas in situ das taxas de aquecimento coronal.
"A capacidade de usar a Solar Orbiter e a Parker Solar Probe simultaneamente realmente abre uma nova dimensão para esta pesquisa", disse Gary Zank, da Universidade do Alabama em Huntsville, co-autor do artigo.
Ao comparar as taxas recentemente medidas com anos de previsões teóricas feitas por físicos solares, Daniel mostrou que os físicos solares estavam quase certamente corretos ao identificar a turbulência como um modo de transferência de energia.
Conceito artístico da Parker Solar Probe se aproximando do sol. Fonte da imagem: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben
A maneira exata como a turbulência cria esse efeito não é diferente do que acontece quando você mexe o café pela manhã. Ao estimular o movimento aleatório de um fluido (gás ou líquido), a energia é transferida para escalas menores, convertendo finalmente a energia em calor. Na coroa, o fluido também é magnetizado, de modo que a energia magnética armazenada também pode ser convertida em energia térmica.
Esta transferência de energia magnética e cinética de escalas maiores para escalas menores é a essência da turbulência. Nas escalas menores, faz com que as ondas eventualmente interajam com partículas individuais (principalmente prótons) e as aqueçam.
Conclusão e Iluminação
Mais trabalho precisa ser feito antes que o problema do aquecimento solar seja resolvido, mas agora, graças ao trabalho de Daniele, os físicos solares mediram este processo pela primeira vez.
“Esta é uma inovação científica”, disse o cientista do projeto Daniel Müller.