Resolva um mistério cósmico de 65 anos

A atmosfera exterior do Sol, conhecida como coroa, pode ser vista estendendo-se para o espaço nesta imagem obtida pelo instrumento Metis da Solar Orbiter. Metis é um dispositivo de vários comprimentos de onda, operando em comprimentos de onda visíveis e ultravioleta. É um coronógrafo, o que significa que bloqueia a luz solar intensa da superfície do Sol, deixando visível a luz fraca que espalha as partículas na coroa. Nesta imagem, o disco vermelho difuso representa a corona, enquanto o disco branco é uma máscara para comprimir o tamanho da imagem e reduzir a quantidade de dados desnecessários associados ao downlink. Crédito da imagem: equipe ESA e NASA/Solar Orbiter/METIS; Dr.. Tiloni e outros (2023)

Um alinhamento cósmico e alguns exercícios de naves espaciais forneceram uma medição inovadora que ajuda a resolver o mistério cósmico de 65 anos sobre o motivo pelo qual a atmosfera do Sol está a aquecer.

A atmosfera do Sol é chamada de coroa. Consiste em um gás eletricamente carregado conhecido como plasma Sua temperatura é de cerca de um milhão de graus Celsius.

A sua temperatura é sempre um mistério porque a temperatura da superfície do Sol é de apenas cerca de 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 as coisas ficam naturalmente mais frias quanto mais longe da fonte de calor. No entanto, a coroa é 150 vezes mais quente que a superfície.

Deve haver outra forma de transferir energia para o plasma, mas qual?

Teorias e desafios de investigação

Há muito se suspeita que a turbulência na atmosfera solar poderia levar a um aquecimento significativo do plasma na coroa. Mas quando se trata de investigar este fenómeno, os físicos solares enfrentam um problema prático: é impossível recolher todos os dados de que necessitam com apenas uma nave espacial.

Existem duas maneiras de explorar o Sol: sensoriamento remoto e medições in situ. No sensoriamento remoto, a espaçonave é posicionada a uma certa distância e câmeras são usadas para observar o sol e sua atmosfera em diferentes comprimentos de onda. Para medições in situ, a espaçonave voa pela área que deseja explorar e faz medições de partículas e campos magnéticos naquela parte do espaço.

Ambas as abordagens têm suas vantagens. O sensoriamento remoto mostra resultados em larga escala, mas não detalhes dos processos que ocorrem no plasma. Enquanto isso, as medições in situ fornecem informações muito específicas sobre processos de pequena escala no plasma, mas não mostram como isso afeta a grande escala.

Investigação dupla em espaçonaves

Para ter uma visão completa, são necessárias duas espaçonaves. E é exatamente isso que os heliofísicos têm atualmente na forma da espaçonave Solar Orbiter pilotada pela Agência Espacial Europeia e pela Parker Solar Probe da NASA. O Solar Orbiter foi projetado para chegar o mais próximo possível do Sol e ainda realizar sensoriamento remoto, bem como medições in situ. A Parker Solar Probe ignora em grande parte o sensoriamento remoto do próprio Sol para se aproximar e fazer suas medições in situ.

Mas para tirar o máximo partido da sua abordagem complementar, a Parker Solar Probe deve estar dentro do campo de visão de um dos instrumentos da Solar Orbiter. Desta forma, a Solar Orbiter conseguiu registar as consequências em grande escala daquilo que a Parker Solar Probe estava a medir in situ.

A Solar Orbiter da ESA é uma das duas naves espaciais integradas que estudam o Sol de perto: junta-se à Parker Solar Probe da NASA, que já estava envolvida na sua missão. Fonte: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Sonda Solar Parker: NASA/Johns Hopkins APL

Coordenação astrofísica

Daniele Telloni, pesquisadora do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) no Observatório Astrofísico de Torino, faz parte 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. É a ferramenta perfeita para medições em grande escala, então Daniele começou a procurar os momentos em que a Sonda Solar Parker estaria alinhada.

Foi constatado que em 1º de junho de 2022, as duas espaçonaves estarão na configuração orbital correta – aproximadamente. Essencialmente, o Solar Orbiter estará olhando para o Sol, e a Parker Solar Probe estará ao lado, dramaticamente perto, mas fora do campo de visão do instrumento METS.

Quando Daniele analisou o problema, ele percebeu que tudo o que seria necessário para iluminar o Parker Solar Orbiter era um pequeno exercício com o Solar Orbiter: um giro de 45 graus e, em seguida, apontá-lo ligeiramente para longe do Sol.

Mas quando cada manobra da missão espacial é cuidadosamente planeada com antecedência, e quando as próprias naves espaciais são concebidas para apontar apenas em direcções muito específicas, especialmente quando lidam com o calor assustador do Sol, não era óbvio que a equipa de operações da nave espacial autorizaria tal manobra. . desvio. No entanto, uma vez que todos ficaram claros sobre o potencial retorno científico, a decisão foi um claro “sim”.

A missão Solar Orbiter da ESA encontrará o Sol a partir da órbita de Mercúrio na sua maior aproximação. Fonte: Medialab ESA/ATG

Notas de hack

A direção de rotação e deslocamento prosseguiu; A Parker Solar Probe entrou no campo de visão e, em conjunto, a sonda produziu as primeiras medições simultâneas da composição em grande escala da coroa solar e das propriedades microfísicas do plasma.

“Este trabalho é resultado da contribuição de muitas pessoas”, afirma Daniele, que liderou a análise dos conjuntos de dados. Trabalhando juntos, eles conseguiram fazer a primeira estimativa conjunta observacional e in situ da taxa de aquecimento coronal.

“Ser capaz de utilizar tanto a Solar Orbiter como a Parker Solar Probe abriu uma dimensão totalmente nova nesta investigação”, afirma Gary Zank, da Universidade do Alabama em Huntsville, EUA, e co-autor do artigo resultante.

Ao comparar a taxa recentemente medida com as previsões teóricas feitas pelos físicos solares ao longo dos anos, Daniel mostrou que os físicos solares estavam aproximadamente corretos na sua identificação da turbulência como um meio de transferência de energia.

Concepção artística da espaçonave Parker Solar Probe se aproximando do Sol. Crédito da imagem: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

A maneira específica como o distúrbio faz isso não é diferente do que acontece quando você mexe sua xícara de café matinal. Ao estimular movimentos aleatórios de um fluido, seja ele gás ou líquido, a energia é transferida para escalas cada vez menores, o que culmina na conversão de energia em calor. No caso da coroa solar, o fluido também é magnetizado e, assim, a energia magnética armazenada também fica disponível para ser convertida em calor.

Tal transferência de energia magnética e energia cinética de escalas maiores para escalas menores é a essência da turbulência. Nas escalas menores, permite que as flutuações finalmente interajam com partículas individuais, principalmente prótons, e as aqueçam.

Conclusões e implicações

É necessário muito mais trabalho antes de podermos dizer que o problema do aquecimento solar foi resolvido, mas agora, graças ao trabalho de Daniel, os físicos solares conseguiram fazer a primeira medição deste processo.

“Esta é uma inovação científica. Este trabalho representa um importante passo em frente na resolução do problema do aquecimento coronal”, afirma Daniel Müller, cientista do projeto.

Solar Orbiter é uma missão espacial de cooperação internacional entre ESA e ESA NASAgerido pela Agência Espacial Europeia.