Telescópio Orbital Revela Energia Magnética como Principal Fonte de Calor da Atmosfera Solar

Um fenômeno detectado pela primeira vez no vento solar pode ajudar a resolver um mistério de longa data sobre o sol: por que a atmosfera solar é milhões de graus mais quente que a superfície. Imagens do Espectrógrafo de Imagem da Região de Interface (IRIS) em órbita terrestre e do Conjunto de Imagem Atmosférica (AIA) mostram evidências que loops magnéticos baixos são aquecidos a milhões de graus Kelvin.

Pesquisadores da Universidade Rice, Universidade do Colorado Boulder e Centro de Voo Espacial Marshall da NASA defendem que íons mais pesados, como silício, são preferencialmente aquecidos tanto no vento solar quanto na região de transição entre a cromosfera e a coroa do sol. Lá, loops de plasma magnetizado arqueiam continuamente, não diferente de seus primos na coroa acima. Eles são muito menores e difíceis de analisar, mas há muito se pensa que abrigam o mecanismo impulsionado magneticamente que libera explosões de energia na forma de nanoflares. O físico solar de Rice Stephen Bradshaw e seus colegas estavam entre aqueles que suspeitavam disso, mas nenhum tinha evidências suficientes antes do IRIS.

O espectrômetro de alto voo foi construído especificamente para observar a região de transição. No estudo financiado pela NASA, os pesquisadores descrevem "brilhamentos" nos loops reconectados que contêm fortes assinaturas espectrais de oxigênio e, especialmente, íons de silício mais pesados.

A equipe de Bradshaw, seu ex-aluno Shah Mohammad Bahauddin, agora membro do corpo de pesquisa do Laboratório de Física Atmosférica e Espacial no Colorado, e o astrofísico da NASA Amy Winebarger estudaram imagens do IRIS capazes de resolver detalhes desses loops de região de transição e detectar bolsões de plasma superaquecido. As imagens permitem analisar os movimentos e temperaturas dos íons dentro dos loops através da luz que emitem, lida como linhas espectrais que servem como "impressões digitais" químicas.

"É nas linhas de emissão onde toda a física está impressa", disse Bradshaw, professor associado de física e astronomia. "A ideia era aprender como estas minúsculas estruturas são aquecidas e esperar dizer algo sobre como a coroa em si é aquecida. Isso pode ser um mecanismo ubíquo que opera através de toda a atmosfera solar."

As imagens revelaram espectros de pontos quentes onde as linhas foram alargadas por efeitos térmicos e Doppler, indicando não apenas os elementos envolvidos em nanoflares, mas também suas temperaturas e velocidades. Nos pontos quentes, encontraram jatos reconectados contendo íons de silício movendo-se em direção (azul-deslocados) e para longe (vermelho-deslocados) do observador (IRIS) a velocidades de até 100 quilômetros por segundo. Nenhum deslocamento Doppler foi detectado para os íons de oxigênio mais leves.

Os pesquisadores estudaram dois componentes do mecanismo: como a energia sai do campo magnético, e então como ela realmente aquece o plasma. A região de transição é apenas cerca de 10.000 graus Fahrenheit, mas a convecção na superfície do sol afeta os loops, torcendo e trançando as finas fitas magnéticas que os compõem, e adiciona energia aos campos magnéticos que finalmente aquecem o plasma, disse Bradshaw. "As observações do IRIS mostraram esse processo ocorrendo e estamos razoavelmente seguros de que pelo menos uma resposta para a primeira parte é através de reconexão magnética, da qual os jatos são uma assinatura chave", disse ele.

Nesse processo, os campos magnéticos das fitas de plasma quebram e reconectam em locais de trançamento em estados de energia mais baixos, liberando energia magnética armazenada. Onde isso ocorre, o plasma torna-se superaquecido. Mas como o plasma é aquecido pela energia magnética liberada permaneceu um enigma até agora. "Olhamos para as regiões nestas pequenas estruturas de loop onde a reconexão estava ocorrendo e medimos as linhas de emissão dos íons, principalmente silício e oxigênio", disse ele. "Descobrimos que as linhas espectrais dos íons de silício eram muito mais largas que as do oxigênio."

Isso indicou aquecimento preferencial dos íons de silício. "Precisávamos explicar isso", disse Bradshaw. "Olhamos e pensamos e descobriu-se que há um processo cinético chamado aquecimento ciclotrôn de íons que favorece aquecer íons pesados sobre os mais leves." Ele disse que ondas ciclotrônicas de íons são geradas nos locais de reconexão. As ondas carregadas pelos íons mais pesados são mais suscetíveis a uma instabilidade que causa as ondas a "quebrar" e gerar turbulência, que espalha e energiza os íons. Isso alarga suas linhas espectrais além do que seria esperado da temperatura local do plasma sozinha. No caso dos íons mais leves, pode haver energia insuficiente restante para aquecê-los. "Caso contrário, eles não excedem a velocidade crítica necessária para desencadear a instabilidade, que é mais rápida para íons mais leves", disse ele.

"No vento solar, íons mais pesados são significativamente mais quentes que íons mais leves", disse Bradshaw. "Isso foi definitivamente medido. Nosso estudo mostra pela primeira vez que isso também é uma propriedade da região de transição e pode, portanto, persistir através de toda a atmosfera devido ao mecanismo que identificamos, incluindo aquecimento da coroa solar, particularmente já que o vento solar é uma manifestação da coroa expandindo-se no espaço interestelar."

A próxima pergunta, disse Bahauddin, é se tais fenômenos estão acontecendo na mesma taxa em todo o sol. "Muito provavelmente a resposta é não", disse ele. "Então a pergunta é, o quanto eles contribuem para o problema de aquecimento da coroa? Eles podem fornecer energia suficiente para a atmosfera superior para que ela possa manter uma coroa de vários milhões de graus?"