O mais poderoso telescópio solar do mundo captou as observações com a maior resolução jamais obtidas da superfície visível do Sol - e revelou um processo oculto que impulsiona a atividade solar.
Os cientistas utilizaram o Telescópio Solar Daniel K. Inouye, da National Science Foundation, situado perto do cume de Haleakalā, um vulcão na ilha havaiana de Maui, nos Estados Unidos, para observar em detalhe uma região magneticamente ativa próxima de uma mancha solar. As manchas solares são consideradas zonas de intensa atividade solar.
As imagens e o vídeo em time-lapse (câmara rápida) proporcionam uma visão sem precedentes da complexa e dinâmica fotosfera do Sol, a sua superfície visível, que existe como uma fina camada da atmosfera moldada por campos magnéticos e correntes de plasma fluido.
Ao combinar as imagens detalhadas com simulações informáticas, os investigadores alcançaram um importante avanço na física solar: identificaram a assinatura de pequenos redemoinhos na superfície do Sol que podem ter um impacto direto na vida na Terra.
Conhecidos como instabilidade de Kelvin-Helmholtz, ou KHI, estes padrões de turbulência podem explicar mistérios solares persistentes, como o motivo pelo qual a coroa solar, ou atmosfera exterior, é muito mais quente do que a superfície do Sol.
Os redemoinhos podem também alimentar a acumulação de energia magnética no Sol, que desencadeia erupções solares e ejeções de massa coronal. Quando dirigidas para a Terra, estas manifestações de atividade solar lançam partículas que podem interferir com satélites, redes elétricas e outras infraestruturas de comunicações.
As conclusões, publicadas recentemente na revista Nature, podem ajudar os cientistas a compreender o comportamento e a atividade do Sol, que são difíceis de prever.
“Embora os modelos teóricos já tivessem sugerido que poderiam existir na fotosfera as condições adequadas para a instabilidade de Kelvin-Helmholtz, observar estas estruturas espalhadas por toda a superfície foi, ainda assim, uma enorme surpresa”, escreve, numa resposta por e-mail, David Kuridze, principal autor do estudo e astrónomo assistente no National Solar Observatory, o Observatório Solar Nacional norte-americano, sediado em Boulder, no Colorado. “A formação de vórtices no Sol tem sido, desde há muito, uma questão central na física solar. Pela primeira vez, identificámos tanto a sua origem como o mecanismo que os impulsiona”, continua.
Uma superfície em constante transformação
A instabilidade de Kelvin-Helmholtz ocorre quando dois fluidos que se deslocam a velocidades diferentes passam um pelo outro, criando pequenas perturbações que dão origem a vórtices em espiral, segundo o estudo.
Os cientistas já observaram este padrão de instabilidade nas ondas de lagos e oceanos, na formação de nuvens e nas atmosferas de grandes planetas gasosos, como Júpiter e Saturno.
“Um belo exemplo de KHI ocorre nos limites das faixas de nuvens de Júpiter, dando origem a vórtices ao longo das suas margens”, diz Maria Weber, professora associada de Física e diretora do planetário da Delta State University, no Mississippi. “O maior de todos é a Grande Mancha Vermelha”, adianta. Weber não participou neste novo estudo.
As imagens obtidas pelo telescópio Inouye assinalam a primeira vez que este fenómeno foi observado no Sol.
Há muito que os cientistas acreditam que o Sol acumula reservas de energia magnética através do chamado ‘entrelaçamento do fluxo’ (flux braiding), um processo em que as linhas do campo magnético se torcem umas em torno das outras. A tensão acaba por se tornar instável, fazendo com que o emaranhado de campos magnéticos se desfaça e depois se reconecte magneticamente, libertando uma explosão de energia. No entanto, os investigadores nunca compreenderam totalmente por que razão estes padrões de torção surgem inicialmente - mas as novas observações oferecem uma possível explicação.
Os investigadores perceberam que os redemoinhos que ocorrem ao longo das margens das regiões magnéticas espalhadas pela superfície solar podem torcer os campos magnéticos uns com os outros. Estas formações explicam também como o calor chega à atmosfera exterior do Sol.
“A KHI é uma forma realmente eficiente de o Sol decompor grandes fluxos de plasma em movimentos mais pequenos”, atesta Kuridze, que continua: “Quando existe KHI no sistema, torna-se muito mais fácil desencadear uma cascata de energia em direção a escalas minúsculas, microscópicas, e, quando a energia chega a essas microescalas, pode ser facilmente libertada sob a forma de calor. Por isso, encontrar KHI em toda a superfície solar fornece-nos uma peça muito importante que faltava neste puzzle”.
Os vórtices magnéticos gerados pela instabilidade de Kelvin-Helmholtz funcionam, na prática, como pequenos motores capazes de gerar, transportar e libertar energia por toda a superfície solar, explica.
“Ainda estamos a tentar juntar todas as peças da história sobre a forma como o Sol gera e mantém o seu magnetismo, em todas as escalas”, diz Weber, acrescentando que “este trabalho ajuda-nos nesse sentido”.
Os redemoinhos, em constante movimento, podem funcionar como reservas de energia para fenómenos solares de maior dimensão, como erupções e ejeções de massa coronal. Mas o Sol também produz nanoflares e outros fenómenos de menor escala a cada segundo, acrescentou Kuridze.
“Acontece que estes microeventos têm uma influência maior na estrutura térmica e magnética do Sol do que as raras e gigantescas erupções”, diz. “Existe um forte consenso na comunidade de física solar de que compreender o comportamento global do Sol começa por compreender estas microescalas. O magnetismo solar é fundamentalmente moldado por estes eventos de pequena escala, que acabam por gerar o clima espacial que afeta a infraestrutura tecnológica da Terra”.
Nour Rawafi, cientista responsável pelo projeto da sonda solar Parker, da NASA, no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, em Maryland, garante que a descoberta representa um avanço que pode melhorar significativamente a compreensão dos cientistas sobre a dinâmica da baixa atmosfera solar. Tal como Weber, Rawafi também não participou no novo estudo.
“Fornece um possível mecanismo para explicar como a abundante energia mecânica gerada na baixa atmosfera solar e na zona de convecção é transformada e transferida para a atmosfera superior do Sol”, conta Rawafi, numa resposta enviada por e-mail. “Os redemoinhos generalizados e as instabilidades de Kelvin-Helmholtz associadas fazem sentido do ponto de vista físico - simplesmente não tínhamos capacidade para observar as minúsculas estruturas solares onde ocorrem de forma tão abundante”.
As observações do telescópio coincidiram muito de perto com simulações informáticas avançadas também realizadas pela equipa durante o estudo. As simulações permitiram aos investigadores interpretar o que estavam a observar nos dados do telescópio e identificar detalhes que são mais difíceis de medir apenas através da observação.
Futuras observações poderão determinar com precisão as ligações físicas que permitem prever grandes erupções e tempestades solares.
As observações foram possíveis graças ao telescópio Inouye, que tem produzido imagens impressionantes do Sol desde 2019.
O telescópio possui um espelho com quatro metros de diâmetro, um sistema de ótica adaptativa que corrige a desfocagem das imagens provocada pela atmosfera terrestre e instrumentos capazes de recolher observações da fotosfera solar, da segunda camada da sua atmosfera, denominada cromosfera, e da coroa, explica o coautor do estudo, Friedrich Wöger, cientista sénior do National Solar Observatory.
“A dimensão e o desempenho do Inouye, combinados com as suas capacidades instrumentais únicas, fazem dele uma instalação de nível mundial sem equivalente, permitindo este tipo de trabalho”, adianta Wöger.
Rawafi acredita que isto é apenas o início do que o telescópio poderá revelar sobre o Sol.
“Está a abrir uma janela completamente nova para o Sol, e espero que se sigam muitas outras descobertas transformadoras”, conclui.
