Quando a sonda Parker Solar da NASA enviou de volta as primeiras observações de sua viagem ao Sol, os cientistas encontraram sinais de um oceano selvagem de correntes e ondas bem diferente do espaço próximo à Terra, muito mais próximo de nosso planeta. Este oceano foi marcado pelo que ficou conhecido como ziguezague: mudanças rápidas no campo magnético do Sol que inverteram a direção como uma estrada de montanha em zigue-zague.
Os cientistas acham que juntar as peças da história dos ziguezagues é uma parte importante para entender o vento solar, o fluxo constante de partículas carregadas que flui do sol. O vento solar corre através do sistema solar, moldando um vasto sistema climático espacial, que estudamos regularmente de vários pontos de vista ao redor do sistema solar, mas ainda temos questões básicas sobre como o Sol inicialmente consegue disparar este rajadas por hora.
Os físicos solares há muito sabem que o vento solar vem em dois sabores: o vento rápido, que viaja em torno de 430 milhas por segundo, e o vento lento, que viaja perto de 220 milhas por segundo. O vento rápido tende a vir de buracos coronais, manchas escuras no Sol cheias de campo magnético aberto. O vento mais lento emerge de partes do Sol onde os campos magnéticos abertos e fechados se misturam. Mas ainda há muito que aprender sobre o que impulsiona o vento solar, e os cientistas suspeitam que os ziguezagues – jatos rápidos de material solar espalhados por ele – contêm pistas de suas origens.
Desde sua descoberta, os ziguezagues geraram uma enxurrada de estudos e debates científicos, enquanto os pesquisadores tentam explicar como os pulsos magnéticos se formam.
“Este é o processo científico em ação”, disse Kelly Korreck, cientista do programa de Heliofísica na sede da NASA. “Há uma variedade de teorias e, à medida que obtemos mais e mais dados para testar essas teorias, chegamos mais perto de descobrir os ziguezagues e seu papel no vento solar.”
Fogos de artifício magnéticos
De um lado do debate: um grupo de pesquisadores que pensa que os ziguezagues se originam de uma dramática explosão magnética que acontece na atmosfera do Sol.
Os sinais do que agora chamamos de ziguezague foram observados pela primeira vez pela missão conjunta Ulysses da NASA e da Agência Espacial Européia, a primeira espaçonave a voar sobre os pólos solares. Mas quando os dados fluíram da Parker Solar Probe décadas depois, os cientistas ficaram surpresos ao encontrar tantos.
Conforme o Sol gira e seus gases superaquecidos se agitam, os campos magnéticos migram ao redor de nossa estrela. Algumas linhas de campo magnético estão abertas, como fitas balançando ao vento. Outros são fechados, com ambas as extremidades ou “pontos de apoio” ancorados no Sol, formando laços que correm com material solar escaldante. Uma teoria – proposta inicialmente em 1996 com base nos dados do Ulysses – sugere que os ziguezagues são o resultado de um conflito entre campos magnéticos abertos e fechados. Uma análise publicada no ano passado pelos cientistas Justin Kasper e Len Fisk, da Universidade de Michigan, explora ainda mais a teoria de 20 anos.
Quando uma linha de campo magnético aberta esbarra em um circuito magnético fechado, eles podem se reconfigurar em um processo chamado reconexão de intercâmbio – um rearranjo explosivo dos campos magnéticos que leva a uma forma de ziguezague. “A reconexão magnética é um pouco como uma tesoura e uma pistola de solda combinadas em uma”, disse Gary Zank, físico solar da Universidade de Alabama Huntsville. A linha aberta se encaixa no circuito fechado, eliminando uma explosão quente de plasma do circuito, enquanto “cola” os dois campos em uma nova configuração. Esse súbito estalo lança uma torção em forma de S na linha aberta do campo magnético antes que o laço se feche – um pouco como, por exemplo, a maneira como um movimento rápido da mão envia uma onda em forma de S descendo uma corda.
Outros trabalhos de pesquisa analisaram como os ziguezagues tomam forma após os fogos de artifício da reconexão. Freqüentemente, isso significa construir simulações matemáticas e, em seguida, comparar os ziguezagues gerados por computador com os dados do Parker Solar Probe. Se forem semelhantes, a física usada para criar os modelos pode ajudar a descrever com sucesso a física real dos ziguezagues.
Zank liderou o desenvolvimento do primeiro modelo de ziguezague. Seu modelo sugere não um, mas dois chicotes magnéticos nascem durante a reconexão: um desce para a superfície solar e o outro dispara para o vento solar. Como um fio elétrico feito de um feixe de fios menores, cada loop magnético é feito de muitas linhas de campo magnético. “O que acontece é que cada um desses fios individuais se reconecta, então você produz uma grande quantidade de ziguezagues em um curto período de tempo”, disse Zank.
Zank e sua equipe modelaram o primeiro zigue-zague que a Parker Solar Probe observou, em 6 de novembro de 2018. Esse primeiro modelo se encaixa bem nas observações, incentivando a equipe a desenvolvê-lo ainda mais. Os resultados da equipe foram publicados no The Astrophysical Journal em 26 de outubro de 2020.
Outro grupo de cientistas, liderado pelo físico da Universidade de Maryland, James Drake, concorda com a importância da reconexão de intercâmbio. Mas eles diferem quando se trata da natureza dos próprios ziguezagues. Enquanto outros dizem que os ziguezagues são uma torção na linha do campo magnético, Drake e sua equipe sugerem que Parker está observando é a assinatura de um tipo de estrutura magnética, chamada de corda de fluxo.
Nas simulações de Drake, a torção no campo não viajou muito antes de desaparecer. “As linhas do campo magnético são como elásticos, gostam de voltar à sua forma original”, explicou ele. Mas os cientistas sabiam que os ziguezagues tinham que ser estáveis o suficiente para viajar até onde a Parker Solar Probe pudesse vê-los. Por outro lado, os cabos de fluxo – que são considerados componentes centrais de muitas erupções solares – são mais resistentes. Imagine uma bengala de doces listrada magnética. É uma corda de fluxo: faixas de campo magnético enroladas em um feixe de mais campo magnético.
Drake e sua equipe acham que as cordas de fluxo podem ser uma parte importante para explicar os ziguezagues, uma vez que devem ser estáveis o suficiente para viajar até onde Parker Solar Probe os observou. Seu estudo – publicado na Astronomy and Astrophysics em 8 de outubro de 2020 – estabelece as bases para a construção de um modelo baseado em corda de fluxo para descrever as origens dos ziguezagues.
O que esses cientistas têm em comum é que acham que a reconexão magnética pode explicar não apenas como os ziguezagues se formam, mas também como o vento solar é aquecido e se desprende do sol. Em particular, os ziguezagues estão ligados ao lento vento solar. Cada ziguezague dispara uma gota de plasma quente para o espaço. “Então, estamos perguntando:” Se você somar todas essas explosões, elas podem contribuir para a geração do vento solar? ‘”Disse Drake.
Seguindo com o fluxo
Do outro lado do debate estão os cientistas que acreditam que os ziguezagues se formam no vento solar, como um subproduto das forças turbulentas que o agitam.
Jonathan Squire, físico espacial da Universidade de Otago, na Nova Zelândia, é um deles. Usando simulações de computador, ele estudou como pequenas flutuações no vento solar evoluíram ao longo do tempo. “O que fazemos é tentar seguir uma pequena parcela de plasma conforme ela se move para fora”, disse Squire.
Cada parcela do vento solar se expande à medida que escapa do Sol, explodindo como um balão. As ondas que ondulam ao longo do Sol criam pequenas ondulações nesse plasma, ondulações que crescem gradualmente à medida que o vento solar se espalha.
“Eles começam primeiro como meneios, mas então o que vemos é que à medida que crescem ainda mais, eles se transformam em ziguezagues”, disse Squire. “É por isso que achamos que é uma ideia muito atraente – aconteceu por si mesma no modelo.” A equipe não precisou incorporar quaisquer suposições sobre a nova física em seus modelos – os ziguezagues apareceram com base na ciência solar bastante aceita.
O modelo de Squire, publicado em 26 de fevereiro de 2020, sugere que os ziguezagues se formam naturalmente à medida que o vento solar se expande para o espaço. Partes do vento solar que se expandem mais rapidamente, ele prevê, também devem ter mais ziguezagues – uma previsão já testável com o conjunto de dados mais recente da Parker.
Outros pesquisadores concordam que os ziguezagues começam no vento solar, mas suspeitam que eles se formam quando fluxos rápidos e lentos de vento solar esfregam uns nos outros. Um estudo de outubro de 2020, liderado por Dave Ruffolo na Mahidol University em Bangkok, Tailândia, esboçou essa ideia.
Bill Matthaeus, co-autor do artigo e físico espacial da University of Delaware em Newark, aponta para o corte na fronteira entre fluxos rápidos e lentos. Esse cisalhamento entre rápido e lento cria redemoinhos característicos vistos em toda a natureza, como os redemoinhos que se formam quando a água do rio flui ao redor de uma rocha. Seus modelos sugerem que esses redemoinhos acabam se transformando em ziguezagues, curvando as linhas do campo magnético sobre si mesmas.
Mas os redemoinhos não se formam imediatamente – o vento solar precisa estar se movendo muito rápido antes que possa dobrar suas linhas de campo magnético, de outra forma rígidas. O vento solar atinge essa velocidade a cerca de 8,5 milhões de milhas do sol. A principal previsão de Mattheaus é que quando Parker ficar significativamente mais perto do Sol do que isso – o que deve acontecer durante sua próxima passagem próxima a 6,5 milhões de milhas do Sol, em 29 de abril de 2021 – os ziguezagues devem desaparecer.
“Se esta é a origem, então, conforme Parker se move para a coroa inferior, esse cisalhamento não pode acontecer”, disse Mattheaus. “Portanto, os ziguezagues causados pelo fenômeno que estamos descrevendo devem desaparecer.”
Um aspecto dos ziguezagues que esses modelos de vento solar ainda não simularam com sucesso é o fato de que tendem a ser mais fortes quando giram em uma direção específica – a mesma direção da rotação do Sol. Porém, ambas as simulações foram feitas com um Sol parado, não girando, o que pode fazer a diferença. Para esses modeladores, incorporar a rotação real do Sol é a próxima etapa.
Torcendo no vento
Finalmente, alguns cientistas pensam que os ziguezagues derivam de ambos os processos, começando com a reconexão ou movimento do ponto de apoio no Sol, mas apenas crescendo em sua forma final quando saem para o vento solar. Um artigo publicado hoje por Nathan Schwadron e David McComas, físicos espaciais da University of New Hampshire e da Princeton University, respectivamente, adota essa abordagem, argumentando que os ziguezagues se formam quando fluxos de vento solar rápido e lento se realinham em suas raízes.
Após esse realinhamento, o vento rápido termina “atrás” do vento lento, na mesma linha do campo magnético. (Imagine um grupo de corredores em uma pista de corrida, velocistas olímpicos em seus calcanhares.) Isso pode acontecer em qualquer caso onde o vento lento e o rápido se encontram, mas principalmente nos limites dos buracos coronais, onde nasce o vento solar rápido. À medida que os buracos coronais migram através do Sol, passando por baixo dos fluxos de vento solar mais lento, o ponto de apoio do vento solar lento se conecta a uma fonte de vento rápido. O vento solar rápido corre atrás do fluxo mais lento à sua frente. Eventualmente, o vento rápido ultrapassa o vento mais lento, invertendo a linha do campo magnético e formando um ziguezague.
Schwadron acredita que o movimento dos buracos coronais e das fontes de vento solar ao longo do Sol também é uma peça chave do quebra-cabeça. A reconexão na borda de ataque dos orifícios coronais, sugere ele, poderia explicar por que os ziguezagues tendem a “zig” de uma forma que esteja alinhada com a rotação do Sol.
“O fato de que eles são orientados dessa maneira particular está nos dizendo algo muito fundamental”, disse Schwadron.
Embora comece com o Sol, Schwadron e McComas acham que esses fluxos reconectados só se tornam ziguezagues dentro do vento solar, onde as linhas do campo magnético do Sol são flexíveis o suficiente para dobrar sobre si mesmas.
À medida que a Parker Solar Probe se aproxima cada vez mais do Sol, os cientistas procuram avidamente por pistas que irão apoiar – ou desmascarar – suas teorias. “Existem diferentes ideias flutuando”, disse Zank. “Eventualmente, algo vai dar certo.”
Publicado em 11/03/2021 11h06
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