O telescópio solar mais potente do mundo capturou as observações de mais alta resolução da superfície visível do Sol — e revelou um processo oculto que impulsiona a atividade solar.

Cientistas utilizaram o Telescópio Solar Daniel K. Inouye da Fundação Nacional de Ciência (NSF), localizado próximo ao topo do Haleakalā, um vulcão na ilha havaiana de Maui, para observar de perto uma área magneticamente ativa próxima a uma mancha solar. Manchas solares são consideradas pontos de alta atividade solar.

As imagens e o vídeo em time-lapse revelam uma visão sem precedentes da complexa e dinâmica fotosfera do Sol, a superfície visível do Sol que existe como uma fina camada de atmosfera moldada por campos magnéticos e correntes de plasma fluido.

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A combinação de imagens detalhadas com simulações computacionais ajudou os pesquisadores a chegar a uma grande descoberta na física solar: a identificação da assinatura de pequenos redemoinhos na superfície do Sol que podem impactar diretamente a vida na Terra.

Conhecida como instabilidade de Kelvin-Helmholtz, ou KHI, esses padrões giratórios podem explicar mistérios solares de longa data, como por que a coroa solar, ou atmosfera externa, é muito mais quente do que a sua superfície.

Os redemoinhos também podem alimentar o acúmulo de energia magnética do Sol, que impulsiona erupções solares e ejeções de massa coronal. Quando direcionada para a Terra, essa atividade solar lança partículas que podem danificar satélites, redes elétricas e outras infraestruturas de comunicação.

As descobertas, publicadas na quarta-feira na revista Nature, podem ajudar os cientistas a entender o comportamento e a atividade do Sol, que são difíceis de prever.

“Embora modelos teóricos já tivessem sugerido que as condições adequadas para a Instabilidade de Kelvin-Helmholtz pudessem existir na fotosfera, observar essas estruturas disseminadas por toda a superfície ainda foi uma enorme surpresa”, escreveu o Dr. David Kuridze, astrônomo assistente do Observatório Solar Nacional em Boulder, Colorado, autor principal do estudo, em um e-mail. “A formação de vórtices no Sol tem sido uma questão central na física solar. Pela primeira vez, identificamos tanto sua origem quanto seu mecanismo de ação.”

Uma superfície em constante mudança

De acordo com o estudo, a instabilidade de Kelvin-Helmholtz ocorre quando dois fluidos que se movem a velocidades diferentes passam um pelo outro, criando pequenas perturbações que resultam em vórtices espirais.

Os cientistas observaram esse padrão de instabilidade em ondas de lagos e oceanos, na formação de nuvens e nas atmosferas de grandes planetas gasosos, como Júpiter e Saturno.

“Um belo exemplo de instabilidades de Kelvin ocorre nos limites das faixas de nuvens de Júpiter, levando à formação de vórtices ao longo das bordas”, disse a Dra. Maria Weber, professora associada de física e diretora do planetário da Universidade Estadual do Delta, no Mississippi. “A maior de todas é a Grande Mancha Vermelha.”

Weber não esteve envolvido no novo estudo.

As imagens do telescópio Inouye marcam a primeira vez que o fenômeno foi observado no Sol.

Os cientistas acreditam há muito tempo que o Sol acumula reservas de energia magnética através do "entrelaçamento de fluxo", quando as linhas do campo magnético se torcem. A tensão eventualmente se torna instável, fazendo com que o emaranhado de campos magnéticos se rompa e, em seguida, se reconecte magneticamente, liberando uma explosão de energia. Mas os pesquisadores nunca entenderam completamente por que esses padrões de torção ocorrem em primeiro lugar — mas as novas observações oferecem uma possível explicação.

Os pesquisadores perceberam que os redemoinhos que ocorrem nas bordas das regiões magnéticas da superfície solar podem torcer os campos magnéticos, unindo-os. Essas formações também explicam como o calor chega à atmosfera externa do Sol.

“A instabilidade cinética de Kelvin (KHI) é uma maneira realmente eficiente para o Sol quebrar grandes fluxos de plasma em movimentos menores”, disse Kuridze. “Quando você tem KHI no sistema, fica muito mais fácil desencadear uma cascata de energia em direção a escalas minúsculas e microscópicas e, uma vez que a energia atinge essas microescalas, ela pode ser facilmente liberada como calor. Portanto, encontrar KHI na superfície solar nos dá uma peça muito importante que faltava nesse quebra-cabeça.”

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Os vórtices magnéticos gerados pela instabilidade de Kelvin-Helmholtz atuam como pequenos motores que podem gerar, transportar e liberar energia por toda a superfície solar, afirmou ele.

“Ainda estamos tentando desvendar toda a história de como o Sol gera e mantém seu magnetismo, em todas as escalas”, disse Weber. “Este trabalho ajuda nisso.”

Os redemoinhos em constante movimento podem funcionar como reservatórios de energia para atividades solares maiores, como erupções solares e ejeções de massa coronal. Mas o Sol está lançando minúsculas nanoerupções solares e outras atividades em menor escala a cada segundo, acrescentou Kuridze.

“Acontece que esses microeventos são mais influentes na estrutura térmica e magnética do Sol do que as raras e massivas erupções solares”, disse ele. “Há um forte consenso na comunidade da física solar de que desvendar o comportamento global do Sol começa com a compreensão dessas microescalas. O magnetismo solar é fundamentalmente moldado por esses eventos de pequena escala, que, em última análise, impulsionam o clima espacial que impacta a infraestrutura tecnológica da Terra.”

A Dra. Nour Rawafi, cientista do projeto Parker Solar Probe da Nasa no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, em Maryland, afirmou que a descoberta é um avanço que pode melhorar significativamente a compreensão dos cientistas sobre a dinâmica da baixa atmosfera solar. Rawafi não participou do novo estudo.

“Isso fornece um possível mecanismo de como a abundante energia mecânica gerada na baixa atmosfera solar e na zona de convecção é transformada e transferida para a alta atmosfera do Sol”, escreveu Rawafi em um e-mail. “Os redemoinhos generalizados e as instabilidades de Kelvin-Helmholtz associadas fazem sentido físico — simplesmente não tínhamos a capacidade de observar as minúsculas estruturas solares onde elas ocorrem em tanta abundância.”

Novos detalhes

As observações do telescópio corresponderam de forma muito precisa às simulações computacionais avançadas que também foram realizadas pela equipe durante o estudo. As simulações permitiram à equipe interpretar o que estavam vendo a partir dos dados do telescópio e identificar detalhes mais difíceis de medir apenas com a observação direta.

Observações futuras poderão identificar as conexões físicas exatas que permitem prever grandes erupções solares e tempestades solares.

As observações foram possíveis graças ao telescópio Inouye, que tem fornecido imagens solares impressionantes desde 2019.

O telescópio possui um espelho com 4 metros de diâmetro, um sistema de óptica adaptativa que corrige o desfoque da imagem causado pela atmosfera da Terra e instrumentos capazes de coletar observações em toda a fotosfera do Sol, a segunda camada de sua atmosfera chamada cromosfera e a coroa, disse o coautor do estudo, Dr. Friedrich Wöger, cientista sênior do Observatório Solar Nacional.

“A dimensão e o desempenho do Inouye, aliados às suas capacidades instrumentais únicas, fazem dele uma instalação de classe mundial, sem igual, que permite este tipo de trabalho”, disse Wöger.

Rawafi acredita que este é apenas o começo do que o telescópio poderá revelar sobre o Sol.

“Isso está abrindo uma janela completamente nova para o Sol, e espero que muitas outras descobertas transformadoras se sigam”, escreveu ele.