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Erupções solares estão entre os eventos mais violentamente explosivos já observados em todo o sistema solar, com energia equivalente a cem bilhões de bombas atômicas detonadas ao mesmo tempo. Essas explosões repentinas no Sol são capazes de lançar partículas altamente carregadas de radiação para a Terra, a quase 150 milhões de km de distância, em menos de uma hora.
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Um estudo publicado este mês na revista Nature, conduzido por pesquisadores do Instituto de Tecnologia de New Jersey (NJIT), identificou a localização precisa onde tais partículas são aceleradas a uma velocidade próxima à da luz.
Observações feitas pelo radiotelescópio Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA), da NJIT, de uma erupção solar de classe X ocorrida em 2017, revelaram um acelerador de partículas altamente eficiente localizado na extremidade do ponto mais brilhante da explosão na atmosfera externa do Sol, chamada de “região de cúspide”, na qual o plasma ambiente é convertido em elétrons de alta energia.
Segundo os autores do estudo, a descoberta da região, que tem quase o dobro do volume da Terra, poderia abrir novas portas para investigar processos fundamentais de aceleração de partículas onipresentes no universo.
“As descobertas deste estudo ajudam a explicar o mistério de longa data de como as erupções solares podem produzir tanta energia em meros segundos”, declarou Gregory Fleishman, autor correspondente do artigo e professor de física no Centro de Pesquisa Solar-Terrestre da NJIT, em um comunicado da entidade.
“A chama libera seu poder em uma região muito mais vasta do Sol do que o esperado pelo modelo clássico de erupções solares”, disse Fleishman. Embora outros tenham postulado que isso deve acontecer, esta é a primeira vez que o tamanho, a forma e a localização específicos desta região-chave foram identificados, e que a eficiência da conversão de energia para aceleração de partículas dentro do sinalizador foi medida”.
Essa pesquisa segue dois estudos publicados em 2020, um na Science e o outro na Nature Astronomy, cujas fotos detalhadas da EOVSA sobre a chama e as mudanças no campo magnético do Sol – tiradas a centenas de frequências de rádio de uma só vez – puderam dar à equipe uma pista inicial sobre o local.
“Nossos estudos recentes sugeriram que a borda da chama pode ser o local onde esses elétrons de alta energia são produzidos, mas não estávamos certos”, explicou Bin Chen, professor associado da NJIT e coautor do artigo. “Originalmente, descobrimos uma estrutura magnética semelhante a uma garrafa no local que continha um número esmagadoramente grande de elétrons em comparação com qualquer outro lugar no sinalizador, mas agora com as novas medições deste estudo, podemos dizer com mais confiança que este é o acelerador de partículas da mancha”.
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Acelerador de partículas das erupções solares converte energia magnética em cinética
Usando as capacidades únicas de imagens de micro-ondas da EOVSA, a equipe mediu o espectro energético de elétrons em centenas de locais da erupção solar de classe X observada, que foi desencadeada por uma reconfiguração das linhas de campo magnético ao longo da superfície do Sol em 10 de setembro de 2017.
“A imagem espectral da EOVSA nos deu um mapa abrangente do plasma térmico do sinalizador à medida que evoluía segundo a segundo. Mas, para nossa surpresa, o que encontramos foi um buraco misterioso no mapa de plasma térmico que começou a se desenvolver na borda da mancha”, disse o PhD em física aplicada Gelu Nita, professor de pesquisa da NJIT e coautor do artigo. “Mais do que isso, à medida que as partículas térmicas na região desapareceram, o buraco foi então densamente preenchido com partículas não térmicas e de alta energia”.
Segundo o comunicado do NJIT, a análise da equipe evidencia um processo de conversão energética incrivelmente eficiente dentro do acelerador de partículas da explosão solar, onde a energia intensa dos campos magnéticos do Sol é rapidamente liberada e transferida para energia cinética dentro da região.
“Nós nos perguntamos o quão eficiente seria esse processo de conversão de energia. Quantas partículas nesta área seriam aceleradas além da energia térmica da explosão?”, disse Sijie Yu, coautor do estudo e professor assistente de pesquisa do NJIT. “Usando dados ultravioletas extremos do Sol, confirmamos que praticamente nenhuma partícula permaneceu dentro da região a energias térmicas abaixo de alguns milhões de Kelvin, consistente com a medição do EOVSA de que as partículas foram todas aceleradas para energias não térmicas superiores a 20 keV, ou quase 100 milhões de Kelvin”.
Os autores do estudo acreditam que suas descobertas podem ajudar os cientistas a investigar questões fundamentais na física de partículas não possíveis na Terra, bem como oferecer novas percepções sobre como essas partículas de alta energia do Sol podem impactar nosso planeta durante futuros eventos climáticos espaciais.
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