Erupções solares são geradas em laboratório

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/04/2023

Um anel coronal real, à esquerda, e o anel gerado em laboratório, à direita.
[Imagem: NASA/SOHO - Bellan Lab/Caltech]

Entendendo as erupções solares

Para tentar compreender como as explosões massivas na superfície do Sol, conhecidas como erupções solares, lançam partículas energéticas e raios X no cosmos, pesquisadores decidiram recriá-las em laboratório.

O campo magnético e a atmosfera da Terra atuam como um escudo que protege a vida na superfície de ser queimada por essas torrentes de energia, mas elas são fortes o suficiente para interromper as comunicações e desativar as redes elétricas. Elas também representam uma ameaça contínua para espaçonaves e astronautas no espaço.

Os pesquisadores têm duas opções para decifrar como e por que as erupções solares se formam e se comportam: A primeira é observar o Sol e esperar capturar o fenômeno com detalhes suficientemente finos para produzir informações relevantes; a segunda é simular o fenômeno em laboratório.

Yang Zhang e colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia escolheram esta última via.

Para isso, eles construíram uma câmara de vácuo com eletrodos duplos em seu interior. Para simular a erupção solar, um capacitor é carregado com energia suficiente para alimentar uma cidade média por alguns microssegundos, e então descarregado através dos eletrodos, gerando um arco em miniatura que lembra muito os anéis coronais, os precursores da erupção solar.

Este é o gerador de explosões solares construído pela equipe.
[Imagem: Bellan Lab/Caltech]

Anéis de plasma em laboratório

Cada anel coronal produzido pelo aparelho dura cerca de 10 microssegundos, mas pode atingir comprimentos de quase 20 centímetros (cm) e um diâmetro de cerca de 1 cm. Estruturalmente, eles são quase idênticos aos reais, oferecendo amostras ideais para serem estudadas em detalhes. A equipe então usou uma câmera de alta velocidade para capturar até 10 milhões de quadros por segundo, permitindo ver como o anel coronal se forma e evolui.

A principal descoberta é que o anel coronal não é uma estrutura monolítica, mas sim composta de fios trançados fractalmente, semelhantes a uma corda.

"Se você dissecar um pedaço de corda, verá que ele é feito de tranças de fios individuais," comparou Zhang. "Separe esses fios individuais e você verá que são tranças de fios ainda menores e assim por diante. Os anéis de plasma parecem funcionar da mesma maneira."

E essa estrutura composta pode ser a explicação para o mecanismo de geração de partículas energéticas e rajadas de raios X associadas às erupções solares. A explicação sugerida pela equipe é que, quando a energia supera um determinado limiar, esses "fios" internos do anel solar não suportam a corrente de plasma e estouram, e cada novo fio que arrebenta despeja tensão nos restantes, eventualmente gerando a explosão solar.

Estudando o processo microssegundo por microssegundo, a equipe notou um pico de tensão negativa associado a uma explosão de raios X no instante exato em que um fio se partiu - eles comparam esse pico de tensão à queda de pressão que se acumula em um ponto de estrangulamento em um cano de água. O campo elétrico desse pico de voltagem acelera as partículas carregadas a uma energia extrema, emitindo os raios X duros conforme as partículas energéticas desaceleram.

Evolução de um anel solar gerado durante o experimento.
[Imagem: Bellan Lab/Caltech]

Anéis coronais

Anéis coronais são arcos de plasma que se projetam da superfície do Sol, alinhados ao longo das linhas do campo magnético da estrela. Essas linhas funcionam como estradas para partículas eletricamente carregadas, guiando o movimento dos elétrons e íons que compõem o plasma.

Os anéis podem se projetar 100.000 quilômetros acima da superfície do Sol, persistindo por períodos que vão de minutos a horas. Eles geralmente crescem e evoluem lentamente, mas às vezes podem explodir abruptamente, liberando no espaço uma quantidade tremenda de energia - bilhões de vezes mais forte do que a explosão nuclear mais poderosa da Terra. Um evento repentino de liberação de energia como esse é chamado explosão solar.

Um dos principais objetivos da equipe é desvendar um processo ainda pouco compreendido, quando uma parte da energia da explosão solar se transforma em partículas carregadas e em uma radiação conhecida como "raios X duros", a penúltima faixa do espectro eletromagnético, logo atrás dos poderosos raios gama. E eles acreditam ter encontrado uma boa explicação para isso.

Agora, a equipe planeja explorar como anéis de plasma separados podem se refundir e reorganizar em diferentes configurações, algo já visto nas observações do Sol. Eles estão interessados em saber se também há eventos de explosão de energia durante esse tipo de interação.

Por outro lado, há dúvidas sobre se a estrutura dos anéis recriados em laboratório de fato corresponde à coisa real, com alguns cientistas defendendo que os anéis coronais vistos no Sol podem ser uma ilusão de óptica.

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