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Falha de ejeção! Cientistas decodificam por que os eventos do nosso sol às vezes fracassam

Essa proeminência solar pode parecer que está se preparando para uma ejeção de massa coronal, mas no último instante, a erupção desaparece, deslizando de volta para o Sol em vez de ser acelerada em altas velocidades. Esta erupção fracassada de 13 de março de 2016 pode ajudar a revelar a natureza completa dos eventos climáticos espaciais. (NASA / OBSERVATÓRIO DE DINÂMICA SOLAR)

Assista o plasma deslizar pela proeminência como uma montanha-russa!

Nosso Sol, apesar de sua aparência externa como uma esfera perfeitamente quente, é tudo menos uniforme. Quando olhamos mais de perto a fotosfera, começamos a ver quão intrincadas são suas imperfeições. Além das manchas solares – áreas do Sol que são tão mais frias que a média que parecem regiões escuras ao olho humano – o Sol também é dividido em uma série de células turbulentas em sua superfície, com manchas de plasma quente entre elas. Mas talvez a característica mais notável do nosso Sol sejam esses laços e filamentos de plasma estendidos na superfície externa do Sol, traçando o campo magnético forte, mas caótico do Sol.

Esses loops de plasma e os campos magnéticos que os sustentam armazenam uma tremenda quantidade de energia. Quando surgem as condições certas, esses laços podem se separar em um momento crítico, reconectando-se com outros elementos do campo magnético encontrados em todo o Sol ou até mesmo se estendendo até a coroa solar. Uma proeminência solar pode dar origem a uma ejeção de massa coronal: um violento evento climático espacial capaz de causar auroras e interrupção da rede elétrica em todo o mundo. Mas recentemente, um ejeção de massa coronal falhada particularmente interessante foi descoberto, e suas propriedades podem nos ajudar a decodificar por que alguns eventos solares chiam enquanto outros fracassam completamente.

Uma erupção solar do nosso Sol, que ejeta matéria para longe de nossa estrela-mãe e para o Sistema Solar, é um evento relativamente típico. O clima espacial também inclui jatos, ejeções de massa coronal e essas estranhas erupções de proeminência que falham e caem de volta no Sol. (OBSERVATÓRIO DE DINÂMICA SOLAR DA NASA / GSFC)

O cenário do pesadelo, é claro, é algo parecido com o grande evento Carrington de 1859. Em meados do século 19, a astronomia solar estava em sua infância como ciência, quando o astrônomo Richard Carrington – que estava observando um conjunto particularmente grande de manchas solares – viu algo espetacular. Dançando ao longo dessas manchas solares por apenas alguns minutos estava um clarão de luz branca que podia ser visto mesmo contra o brilho avassalador do Sol, seguido por uma parada repentina. Embora não soubéssemos na época, uma ejeção de massa coronal acabara de ocorrer.

Apenas cerca de 17 horas depois, os efeitos dessa ejeção de massa coronal começaram a aparecer na Terra. As auroras enlouqueceram, aparecendo em todo o globo, mesmo na latitude equatorial. Isso fez com que os trabalhadores do lado noturno da Terra despertassem, pois a luz era brilhante o suficiente para confundir os humanos com o amanhecer iminente. E, talvez o mais assustador, nossos primeiros dispositivos movidos a eletricidade, como telégrafos, começaram a ser ativados automaticamente, mesmo quando foram totalmente desconectados de uma fonte de energia. Em alguns lugares, os aparelhos de telégrafo tocaram com tanta força que o papel que registrava seus sinais pegou fogo.

O campo magnético da Terra normalmente nos protege das partículas carregadas que o Sol emite, mas quando a conexão magnética ocorre do campo do Sol para a Terra, as partículas podem ser afuniladas em torno das áreas polares, criando um show auroral espetacular e possivelmente também um fenômeno geomagnético. tempestade se outras condições forem atendidas. (NASA/GSFC/SOHO/ESA)

O que estava acontecendo não foi muito apreciado na época, mas agora reconhecemos amplamente o que ocorreu como um exemplo dos enormes efeitos que o clima espacial pode ter na Terra. Duas das características definidoras da Terra são:

1. sua atmosfera relativamente espessa, que impede que mesmo partículas carregadas de energia provenientes do nosso Sol atinjam a superfície da Terra,
2. e seu campo magnético, que funciona como um grande dipolo magnético, fazendo com que as partículas carregadas que entram na influência do nosso campo magnético sejam desviadas, com apenas uma pequena fração delas sendo redirecionada pelo magnetismo da Terra para produzir um anel de colisões de partículas ao redor pólos magnéticos norte e sul.

Quando o Sol está quieto, ou seja, não está passando por grandes eventos de ejeção, o fluxo de partículas do Sol é relativamente constante: o vento solar. No entanto, esses eventos semelhantes a explosões, quando ocorrem, podem não apenas intensificar o vento solar, mas também criar partículas que se movem mais rapidamente, mais energéticas e podem perturbar e até penetrar no próprio campo magnético da Terra.

A atmosfera do Sol não está confinada à fotosfera ou mesmo à coroa, mas se estende por milhões de quilômetros no espaço, mesmo sob condições sem ejeção ou ejeção. Quando aplicamos um coronógrafo para ver as condições estendidas, descobrimos que a tênue coroa do Sol continua além da órbita da Terra. (OBSERVATÓRIO DE RELAÇÕES TERRESTRE SOLARES DA NASA)

Embora normalmente pensemos no Sol como algo localizado no espaço, a maior verdade é que a coroa solar – e o campo magnético do Sol – na verdade se estende muito longe no espaço, abrangendo toda a Terra. Quando o Sol envia um evento energético, como uma ejeção de massa coronal, o campo magnético solar e o da Terra podem interagir, e se eles se conectam da maneira certa (ou errada, dependendo da sua perspectiva), pode criar um funil. como efeito para trazer essas partículas para baixo em torno dos pólos magnéticos da Terra em grande número.

Essas partículas carregadas em movimento rápido ainda não atingirão a superfície, mas podem alterar significativamente o campo magnético na superfície da Terra em curtos períodos de tempo. Alterar os campos magnéticos, onde quer que você tenha um loop ou bobina de fios (especialmente os de grande área), induzirá correntes nesses fios, e isso pode causar:

• picos de energia,
• descargas elétricas,
• grandes mudanças de tensão,
• incêndios,

e muitos outros efeitos negativos para nossa infra-estrutura. Embora o perigo direto para os seres humanos de um evento climático espacial seja baixo, o perigo secundário, como resultado de incêndios, perda de energia e danos à nossa infraestrutura vital, pode chegar a um preço de vários trilhões de dólares. Se um evento do tipo Carrington ocorrer hoje, não estamos suficientemente preparados; a pior dessas consequências não seria mitigada de forma significativa.

Quando uma ejeção de massa coronal parece se estender em todas as direções relativamente igualmente da nossa perspectiva, um fenômeno conhecido como CME anular, isso é uma indicação de que provavelmente está indo direto para o nosso planeta. Esses cenários são os mais perigosos para criar uma repetição de um evento do tipo Carrington. (ESA / NASA / SOHO)

Mas nem toda erupção solar resulta em uma ejeção de massa coronal. Na verdade, existem três tipos principais de erupções solares, e as ejeções de massa coronal são apenas uma delas: as maiores e mais poderosas, mas não a única opção de forma alguma. De fato, ejeções de massa coronal podem ser as mais raras dessas erupções solares.

Mais comumente são eventos menores e menos energéticos conhecidos como jatos. Estes acabam sendo pequenas e finas colunas de plasma que são injetadas no vento solar; eles têm apenas um efeito insignificante no clima espacial da Terra. Eles parecem se originar de loops de plasma menores e mais fracos e não consistem em um grande número de partículas energéticas e em movimento rápido. No que diz respeito ao vento solar normal, um evento de jato adiciona apenas um leve aprimoramento.

Mas há um terceiro tipo de evento: erupções de proeminência falhadas . É aqui que grandes e belos laços de plasma – comumente vistos como proeminências solares – se estendem para longe da fotosfera do Sol e podem até entrar na coroa do Sol. Em vez de pequenos jatos ou grandes ejeções de massa coronal, no entanto, vemos basicamente uma erupção malsucedida: o plasma simplesmente se esgota e acaba caindo de volta para o Sol .

(Sério, é um vídeo muito impressionante .)

A pergunta, claro, é por quê?

Para entender isso, você precisa entender o que está ocorrendo quando você tem uma ejeção de massa coronal bem-sucedida. Existem algumas maneiras de fazer isso acontecer, mas há pontos em comum entre eles.

• Eles sempre envolvem campos magnéticos de diferentes partes do Sol, criando grandes laços que são seguidos pelo plasma solar quente.
• Esses campos de diferentes partes vão interagir e, em um momento crítico, se reconectar.
• Dependendo da geometria exata dos campos magnéticos e da maneira precisa como as linhas de campo de várias partes se reconectam, você pode obter alguns mecanismos diferentes: erupções de instabilidade (se a proeminência tiver uma reviravolta significativa o suficiente), erupções de instabilidade do toro (um tipo diferente de reconexão magnética), ou fugas solares (uma alternativa para qualquer mecanismo de instabilidade), onde os campos se reconectam dentro do Sol e causam uma erupção semelhante a um clarão.

Neste momento, não podemos dizer com certeza qual dos três mecanismos é responsável pela maioria das grandes erupções, mas podemos dizer, com absoluta certeza, que nem todos os loops de proeminência massivos que vemos terminarão em uma erupção.

Loops coronais solares, como os observados pelo satélite Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) da NASA aqui em 2005, seguem o caminho do campo magnético no Sol. Quando esses loops “quebram” da maneira certa, eles podem emitir ejeções de massa coronal, que têm o potencial de impactar a Terra. Uma grande CME ou erupção solar pode criar um novo tipo de desastre natural: um cenário de 'Flaremageddon'. (NASA/TRACE)

Trabalhos anteriores tinham focado em observar como proeminências que pareciam que poderiam entrar em erupção, em vez disso, falhariam , que notou uma série de pistas fascinantes. Em primeiro lugar, quando examinaram as espinhas dos filamentos – a proverbial espinha dorsal dessas proeminências – não encontraram rotação ou torção significativa nas proeminências que não entraram em erupção. Além disso, a maneira como os filamentos, uma vez que não entraram em erupção, caíram de volta no Sol indicava que a gravitação, e não qualquer tipo de força eletromagnética, era o fator determinante em jogo.

Mas em 2016, uma equipe de pesquisadores viu uma nova proeminência fracassada, e as pistas simplesmente não se encaixavam. Com base em todos os recursos que estavam lá, incluindo o tamanho e a magnitude da proeminência, o fato de que a reconexão magnética ocorreu e o fato de ter uma tampa de plasma quente (ou cúpula) no topo de um anel mais frio de plasma de proeminência, eles esperavam uma ejeção de massa coronal para resultar. Mas o que aconteceu em vez disso foi um gemido: a tampa de plasma quente simplesmente se ergueu suavemente, criando uma versão ampla de um jato fraco, enquanto a proeminência mais fria não conseguiu entrar em erupção, simplesmente drenando de volta ao longo do filamento para a superfície solar.

O que parecia estar se dirigindo para uma enorme ejeção de massa coronal falhou em ter uma liberação maciça de energia. No rescaldo dessa erupção malsucedida, o plasma mais frio simplesmente fluiu de volta pelos mesmos filamentos de onde emergiu, caindo em cascata de volta à fotosfera do Sol. (NASA / ESTÉREO A)

De acordo com a Dra. Emily Mason, principal autora do artigo recente que analisou essa erupção fracassada junto com Spiro Antiochos e Angelos Vourlidas,

Nós três que escrevemos o artigo passamos 18 meses olhando para este evento, discutindo sobre os mecanismos, abandonando-o e voltando alguns meses depois. Isso simplesmente não nos deixaria em paz; ele nos confronta com lacunas gritantes em nosso conhecimento do Sol, mas também nos provoca com a esperança de que, se pudermos explicar este evento , teremos feito um progresso real.

A grande incógnita, infelizmente, é descobrir o que exatamente acontece com a espinha desses filamentos magneticamente, já que as particularidades dos eventos de reconexão magnética provavelmente são o que alimenta (ou deixa de alimentar) a erupção potencial que se seguiria. A coisa estranha sobre essa proeminência falhada em particular é que parece que a coluna sopra para fora inicialmente no início da erupção. O campo magnético está se movendo? Ou está simplesmente transportando o plasma quente enquanto o próprio campo permanece estacionário? Ambas as opções têm problemas e ambas permanecem viáveis; ainda é uma questão indecisa.

Com um coronógrafo para bloquear o disco do Sol, o SOHO da NASA observa a coroa solar estendida. Aqui, a erupção solar fracassada de 13 de março de 2016 pode ser vista em erupção para a direita, depois caindo de volta quando tênues explosões de plasma são ejetadas em outros lugares. (NASA/SOHO/LASCO C2)

No entanto, esta observação oferece um potencial fantástico para entender três fenômenos, todos dentro de uma estrutura unificada pela primeira vez. Lembre-se, quando essa proeminência não entrou em erupção, a tampa superior quente de voou para longe do Sol, mas apenas suavemente, lentamente e de maneira ampla, em vez de colimada. Enquanto isso, a parte inferior e mais fria não simplesmente caiu como se a gravitação fosse a força dominante, mas deslizou para trás ao longo do mesmo filamento – e provavelmente do mesmo campo magnético – que traçou a proeminência anteriormente. Nas palavras dos autores, o plasma mais frio deslizou para trás, como carros ao longo de uma pista de montanha-russa.

Isso nos permite criar um modelo unificado de jatos, erupções fracassadas e ejeções de massa coronal, todos do mesmo tipo. Jatos são as estruturas menores, onde há apenas o plasma frio traçando uma proeminência minúscula; quando ocorre a reconexão magnética, há apenas uma leve erupção. As ejeções de massa coronal são as maiores, conectando a fotosfera à coroa, onde a reconexão pode causar uma enorme liberação de energia. E agora, temos essas erupções fracassadas, que parecem estar no meio, exibindo algumas características de jatos e ejeções de massa coronal, mas onde o retorno do plasma mais frio é o efeito dominante.

Este trecho da imagem da 'primeira luz' divulgada pelo Telescópio Solar Inouye da NSF mostra as células convectivas do tamanho do Texas na superfície do Sol em maior resolução do que nunca. Pela primeira vez, as feições entre as células, com resoluções tão pequenas quanto 30 km, podem ser vistas, esclarecendo os processos que ocorrem no interior do Sol. (OBSERVATÓRIO NACIONAL SOLAR / AURA / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS / TELESCÓPIO SOLAR INOUYE)

Os próximos passos desta pesquisa serão aumentar a escala dos modelos de computador, tentando entender quais estruturas magnéticas subjacentes e processos de reconexão podem reproduzir com sucesso essa dinâmica peculiar de uma erupção tão fracassada. Por fim, os eventos que levam aos jatos são relativamente isolados em termos de suas propriedades magnéticas. As ejeções de massa coronal, no entanto, são complicadas, com três mecanismos distintos atualmente em disputa para alimentar a maioria deles. Mas as erupções fracassadas estão em algum lugar no meio, e agora o quebra-cabeça é descobrir exatamente como.

Como explicou Mason, se pudermos essencialmente ampliar o que já sabemos sobre erupções de jatos, também poderemos obter informações importantes sobre como as CMEs entram em erupção. O mistério permanece sem solução por enquanto, mas a humanidade terá uma nova ferramenta científica em seu arsenal solar em apenas 5 meses: quando o Telescópio Solar Daniel K. Inouye começar suas operações científicas completas. Com seu instrumento Cryo-NIRSP para observar a coroa e a capacidade de extrapolar as configurações do campo magnético na baixa coroa, todos os três conjuntos de erupções podem em breve ser totalmente explicados. Se pudermos medir e entender suficientemente a interação dos campos magnéticos com o plasma do Sol, erupções e eventos coronais, talvez o próximo evento do tipo Carrington não seja uma surpresa para a humanidade, dando-nos o ingrediente chave que precisamos para preparar : Tempo.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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