Pesquisadores do MIT e de outras instituições sugerem que o campo magnético do Sol pode ter origem em instabilidades nas suas camadas mais externas, e não nas profundezas, como tradicionalmente se pensa. O seu modelo mostra que perturbações nos 5 a 10 por cento superiores do Sol podem gerar padrões magnéticos realistas, desafiando crenças anteriores e potencialmente melhorando as previsões da atividade solar. Crédito: SciTechDaily.com
Fenômenos solares como manchas solares e erupções solares podem ser produto de um campo magnético raso, de acordo com novas descobertas surpreendentes que podem ajudar os cientistas a prever o clima espacial.
A superfície do Sol ofusca com manchas solares e erupções, produtos de um campo magnético solar criado por um mecanismo conhecido como ação do dínamo. Tradicionalmente, os astrofísicos acreditavam que este campo magnético se formava nas profundezas da estrela. No entanto, um estudo de COM sugere que esses fenômenos podem, na verdade, ser moldados por um processo muito mais superficial.
Publicado hoje (22 de maio) na revista Naturezaa investigação conduzida por equipas do MIT, da Universidade de Edimburgo e de outras instituições sugere que as instabilidades nas camadas mais externas do Sol podem ser responsáveis pelo seu campo magnético.
Ao desenvolver um modelo detalhado da superfície do Sol e simular vários distúrbios na plasma fluindo dentro dos 5 a 10 por cento superiores do Sol, os pesquisadores descobriram que essas alterações na superfície poderiam gerar padrões de campo magnético que se assemelham muito aos observados pelos astrônomos. Por outro lado, as simulações das camadas mais profundas do Sol produziram representações menos precisas da atividade solar.
Campos Magnéticos Rasos
As descobertas sugerem que as manchas solares e as erupções solares podem ser o produto de um campo magnético raso, em vez de um campo que se origina nas profundezas do Sol, como os cientistas em grande parte supunham.
“As características que vemos quando olhamos para o Sol, como a coroa que muitas pessoas viram durante o recente eclipse solar, manchas solares e erupções solares, estão todas associadas ao campo magnético do Sol”, diz o autor do estudo Keaton Burns, cientista pesquisador em Departamento de Matemática do MIT. “Mostramos que perturbações isoladas perto da superfície do Sol, longe das camadas mais profundas, podem crescer ao longo do tempo para produzir potencialmente as estruturas magnéticas que vemos.”
Se o campo magnético do Sol surgir de facto das suas camadas mais externas, isto poderá dar aos cientistas uma melhor oportunidade de prever explosões e tempestades geomagnéticas que têm o potencial de danificar satélites e sistemas de telecomunicações.
“Sabemos que o dínamo funciona como um relógio gigante com muitas peças complexas que interagem”, diz o co-autor Geoffrey Vasil, investigador da Universidade de Edimburgo. “Mas não sabemos muitas das peças ou como elas se encaixam. Esta nova ideia de como o dínamo solar começa é essencial para compreendê-lo e predizê-lo.”
Os coautores do estudo também incluem Daniel Lecoanet e Kyle Augustson, da Universidade do NoroesteJeffrey Oishi do Bates College, Benjamin Brown e Keith Julien da Universidade do Colorado em Boulder e Nicholas Brummell da Universidade da Califórnia em Santa Cruz.
Dinâmica da Zona de Convecção
O sol é uma bola de plasma incandescente que ferve em sua superfície. Esta região de ebulição é chamada de “zona de convecção”, onde camadas e plumas de plasma se agitam e fluem. A zona de convecção compreende o terço superior do raio do Sol e se estende por cerca de 200.000 quilômetros abaixo da superfície.
“Uma das ideias básicas sobre como iniciar um dínamo é que você precisa de uma região onde haja muito plasma passando por outro plasma, e que o movimento de cisalhamento converta energia cinética em energia magnética”, explica Burns. “As pessoas pensavam que o campo magnético do Sol é criado pelos movimentos na parte inferior da zona de convecção.”
Para determinar exatamente onde se origina o campo magnético do Sol, outros cientistas usaram grandes simulações tridimensionais para tentar resolver o fluxo de plasma através das muitas camadas do interior do Sol. “Essas simulações requerem milhões de horas em instalações nacionais de supercomputação, mas o que produzem ainda não é tão turbulento quanto o Sol real”, diz Burns.
Em vez de simular o fluxo complexo de plasma ao longo de todo o corpo do Sol, Burns e os seus colegas questionaram-se se o estudo da estabilidade do fluxo de plasma perto da superfície poderia ser suficiente para explicar as origens do processo do dínamo.
Para explorar esta ideia, a equipa utilizou primeiro dados do campo da “heliossismologia”, onde os cientistas utilizam vibrações observadas na superfície do Sol para determinar a estrutura média e o fluxo de plasma abaixo da superfície.
“Se você gravar um vídeo de uma bateria e observar como ela vibra em câmera lenta, poderá calcular o formato e a rigidez da pele a partir dos modos vibracionais”, diz Burns. “Da mesma forma, podemos usar as vibrações que vemos na superfície solar para inferir a estrutura média no interior.”
Cebola Solar
Para o seu novo estudo, os investigadores recolheram modelos da estrutura do Sol a partir de observações heliossísmicas. “Esses fluxos médios parecem uma cebola, com diferentes camadas de plasma girando umas sobre as outras”, explica Burns. “Então perguntamos: existem perturbações, ou pequenas mudanças no fluxo de plasma, que poderíamos sobrepor a esta estrutura média, que poderia crescer para causar o campo magnético do Sol?”
Para procurar tais padrões, a equipe utilizou o Projeto Dedalus – uma estrutura numérica desenvolvida por Burns que pode simular muitos tipos de fluxos de fluidos com alta precisão. O código foi aplicado a uma ampla gama de problemas, desde a modelagem da dinâmica dentro de células individuais até circulações oceânicas e atmosféricas.
“Os meus colaboradores têm pensado no problema do magnetismo solar há anos e as capacidades do Dedalus atingiram agora o ponto em que podemos resolvê-lo”, diz Burns.
A equipe desenvolveu algoritmos que incorporaram ao Dedalus para encontrar mudanças que se auto-reforçam nos fluxos médios da superfície do Sol. O algoritmo descobriu novos padrões que poderiam crescer e resultar em atividade solar realista. Em particular, a equipa encontrou padrões que correspondem às localizações e escalas de tempo das manchas solares que têm sido observadas pelos astrónomos desde Galileu em 1612.
As manchas solares são características transitórias na superfície do Sol que se acredita serem moldadas pelo campo magnético solar. Estas regiões relativamente mais frias aparecem como manchas escuras em relação ao resto da superfície incandescente do Sol. Os astrónomos observam há muito tempo que as manchas solares ocorrem num padrão cíclico, crescendo e recuando a cada 11 anos, e geralmente gravitando em torno do equador, em vez de perto dos pólos.
Nas simulações da equipa, descobriram que certas alterações no fluxo de plasma, apenas nos 5 a 10 por cento superiores das camadas superficiais do Sol, eram suficientes para gerar estruturas magnéticas nas mesmas regiões. Em contraste, as mudanças nas camadas mais profundas produzem campos solares menos realistas que estão concentrados perto dos pólos, em vez de perto do equador.
A equipa ficou motivada a observar mais de perto os padrões de fluxo perto da superfície, uma vez que as condições ali se assemelhavam aos fluxos instáveis de plasma em sistemas completamente diferentes: os discos de acreção em torno dos buracos negros. Os discos de acreção são discos massivos de gás e poeira estelar que giram em direção a uma buraco negroimpulsionado pela “instabilidade magnetorotacional”, que gera turbulência no fluxo e faz com que ele caia para dentro.
Burns e os seus colegas suspeitaram que um fenómeno semelhante está a ocorrer no Sol, e que a instabilidade magnetorotacional nas camadas mais externas do Sol poderia ser o primeiro passo na geração do campo magnético solar.
Descobertas controversas e pesquisas em andamento
“Acho que esse resultado pode ser controverso”, arrisca. “A maior parte da comunidade tem se concentrado em encontrar ação dínamo nas profundezas do sol. Agora estamos mostrando que existe um mecanismo diferente que parece corresponder melhor às observações.” Burns diz que a equipe continua a estudar se os novos padrões de campo de superfície podem gerar manchas solares individuais e o ciclo solar completo de 11 anos.
Referência: “O dínamo solar começa perto da superfície” 22 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07315-1
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, por NASA.
