Assim como uma avalanche de neve que começa com um pequeno movimento antes de descer montanha abaixo, novas observações mostram que as erupções solares começam com sutis distúrbios magnéticos que rapidamente se intensificam. Cientistas que utilizaram a espaçonave Solar Orbiter, liderada pela Agência Espacial Europeia (ESA), descobriram que essas mudanças iniciais podem rapidamente evoluir para erupções violentas, produzindo uma cascata dramática de bolhas de plasma brilhosas que caem pela atmosfera do Sol muito depois de a erupção principal ter atingido seu pico.
Esse insight vem de uma das visões mais detalhadas já capturadas de uma grande erupção solar. O evento foi registrado durante a passagem próxima do Solar Orbiter pelo Sol em 30 de setembro de 2024 e é descrito em um estudo publicado hoje (21 de janeiro) na Astronomy & Astrophysics.
O que desencadeia uma erupção solar
As erupções solares estão entre as explosões mais poderosas do sistema solar. Elas ocorrem quando enormes quantidades de energia armazenadas em campos magnéticos torcidos são repentinamente liberadas através de um processo conhecido como reconexão magnética. Durante a reconexão, linhas de campo magnético apontando em direções opostas se rompem e se reconectam em uma nova configuração. Esse rearranjo rápido pode aquecer o plasma a milhões de graus e lançar partículas energizadas para longe do local, criando uma erupção solar.
As erupções mais fortes podem desencadear uma reação em cadeia que atinge a Terra, provocando tempestades geomagnéticas e, às vezes, interrompendo comunicações via rádio. Devido a esses impactos potenciais, os cientistas estão ansiosos para entender exatamente como as erupções começam e evoluem.
Durante anos, o mecanismo preciso por trás da capacidade do Sol de liberar tanta energia em minutos permaneceu obscuro. Agora, uma rara combinação de observações de quatro instrumentos do Solar Orbiter trabalhando juntos forneceu a imagem mais completa até agora de como uma erupção se desdobra desde seus momentos iniciais.
Uma visão rara do nascimento de uma erupção solar
O Imager Ultravioleta Extremo (EUI) do Solar Orbiter capturou imagens incrivelmente detalhadas da atmosfera externa do Sol, conhecida como corona, resolvendo características com apenas algumas centenas de quilômetros de largura e registrando mudanças a cada dois segundos. Ao mesmo tempo, três instrumentos adicionais, SPICE, STIX e PHI, estudaram diferentes camadas do Sol, desde a corona quente até a superfície visível, ou fotosfera.
Essas observações conjuntas permitiram que os cientistas rastreassem a acumulação até a erupção ao longo de aproximadamente 40 minutos, uma oportunidade que raramente ocorre devido a janelas de observação limitadas e restrições de dados a bordo.
“Ficamos realmente muito felizes por testemunhar os eventos precursoras dessa grande erupção com tanto detalhe,” diz Pradeep Chitta do Instituto Max Planck para Pesquisa do Sistema Solar, Göttingen, Alemanha, e autor principal do artigo. “Observações de flare tão detalhadas e de alta cadência não são possíveis o tempo todo, devido às janelas de observação limitadas e ao fato de que dados como esses ocupam muito espaço na memória do computador a bordo da espaçonave. Estivemos realmente no lugar certo na hora certa para capturar os detalhes finos dessa erupção.”
Avalanche Magnética em Ação
Quando o EUI começou a observar a região às 23:06 Tempo Universal (UT), cerca de 40 minutos antes de a erupção atingir seu pico, revelou um filamento escuro em forma de arco feito de campos magnéticos torcidos e plasma. Essa estrutura estava conectada a um padrão em forma de cruz de linhas de campo magnético que gradualmente se tornavam mais brilhantes. (Veja o link do vídeo abaixo do artigo.)
Visões em close mostraram que novos fios magnéticos apareciam em quase todas as imagens, a cada dois segundos ou menos. Cada fio permanecia contido por forças magnéticas e gradualmente se torcia, assemelhando-se a cordas bem enroladas.
À medida que mais fios se formavam e se torciam, a região se tornava instável. Como uma avalanche ganhando força, as estruturas magnéticas começaram a se quebrar e se reconectar em rápida sucessão. Isso desencadeou uma cadeia crescente de perturbações, cada uma mais forte que a anterior, visível como súbitos aumentos de brilho.
Às 23:29 UT, ocorreu um aumento de brilho particularmente intenso. Logo depois, o filamento escuro se descolou de um lado e disparou para fora, desenrolando-se violentamente à medida que se movia. Flashes brilhantes de reconexão apareceram ao longo de seu comprimento com detalhes extraordinários quando a erupção principal ocorreu por volta das 23:47 UT.
“Esses minutos antes da erupção são extremamente importantes e o Solar Orbiter nos deu uma janela diretamente para a base da erupção, onde esse processo de avalanche começou,” diz Pradeep. “Ficamos surpresos ao ver como a grande erupção é impulsionada por uma série de eventos de reconexão menores que se espalham rapidamente no espaço e no tempo.”
Erupções Solares como Reações em Cadeia Cascata
Cientistas há muito sugerem que avalanches poderiam explicar o comportamento coletivo de inúmeras pequenas erupções no Sol e em outras estrelas. Até agora, não estava claro se a mesma ideia se aplicava a uma única grande erupção.
Esses novos resultados mostram que uma grande erupção não precisa ser uma explosão unificada. Em vez disso, pode emergir de muitos eventos de reconexão menores que interagem e se acumulam, formando uma poderosa cascata.
Chuva de Bolhas de Plasma
Usando medições combinadas dos instrumentos SPICE e STIX, a equipe de pesquisa conseguiu estudar como essa rápida sequência de eventos de reconexão deposita energia nas camadas superiores da atmosfera do Sol com detalhes sem precedentes.
Os raios-X de alta energia desempenharam um papel fundamental nessa análise, pois revelam onde partículas aceleradas liberam sua energia. Como essas partículas podem escapar para o espaço e representar riscos para satellites, astronautas e até mesmo tecnologias na Terra, entender seu comportamento é essencial para prever o clima espacial.
Durante a erupção de 30 de setembro, as emissões ultravioleta e de raios-X já estavam aumentando lentamente quando o SPICE e o STIX começaram suas observações. À medida que a erupção se intensificou, a produção de raios-X aumentou dramaticamente, acelerando partículas a velocidades de 40 a 50 por cento da velocidade da luz, ou aproximadamente 431 a 540 milhões de km/h. Os dados também mostraram energia se movendo diretamente de campos magnéticos para o plasma circundante durante a reconexão.
“Vimos características em forma de fita se movendo extremamente rápido através da atmosfera do Sol, mesmo antes do episódio principal da erupção,” diz Pradeep. “Esses fluxos de ‘chuva de bolhas de plasma’ são assinaturas de deposição de energia, que ficam mais fortes à medida que a erupção progride. Mesmo depois que a erupção diminui, a chuva continua por algum tempo. É a primeira vez que vemos isso nesse nível de detalhe espacial e temporal na corona solar.
Resfriamento Após a Eruptão
Após a fase mais intensa da erupção, as imagens do EUI mostraram a estrutura magnética original em forma de cruz se relaxando. Ao mesmo tempo, o STIX e o SPICE registraram plasma resfriando e uma queda nas emissões de partículas em direção a níveis normais. O PHI observou os efeitos da erupção na superfície visível do Sol, completando uma visão tridimensional de todo o evento.
“Não esperávamos que o processo de avalanche pudesse levar a partículas de alta energia,” diz Pradeep. “Ainda temos muito a explorar nesse processo, mas isso exigiria imagens de raios-X de resolução ainda mais alta de futuras missões para realmente desvendar.”
Uma Nova Compreensão de Explosões Solares
“Este é um dos resultados mais empolgantes do Solar Orbiter até agora,” diz Miho Janvier, co-cientista do projeto Solar Orbiter da ESA. “As observações do Solar Orbiter revelam o motor central de uma erupção e enfatizam o papel crucial de um mecanismo de liberação de energia magnética em forma de avalanche em ação. Uma perspectiva interessante é se esse mecanismo ocorre em todas as erupções e em outras estrelas que apresentam erupções.”
“Essas observações empolgantes, capturadas em detalhes incríveis e quase momento a momento, nos permitiram ver como uma sequência de eventos pequenos se transformou em enormes explosões de energia,” diz David Pontin da Universidade de Newcastle, Austrália, que coautorizou o artigo.
Ele acrescenta: “Comparando as observações do EUI com as observações de campo magnético, conseguimos desvendar a cadeia de eventos que levaram à erupção. O que observamos desafia as teorias existentes para a liberação de energia das erupções e, junto com mais observações, nos permitirá aperfeiçoar essas teorias para melhorar nossa compreensão.”
Sobre a Missão Solar Orbiter
O Solar Orbiter é uma missão conjunta entre a ESA e a NASA e é operada pela ESA. O Imager Ultravioleta Extremo (EUI) é liderado pelo Observatório Real da Bélgica (ROB). O Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) é liderado pelo Instituto Max Planck para Pesquisa do Sistema Solar (MPS), Alemanha. O Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) é um instrumento liderado pela Europa, gerenciado pelo Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) em Paris, França. O STIX X-ray Spectrometer and Telescope é liderado pela FHNW, Windisch, Suíça.
