Para aprender sobre a história violenta do Sol e para entender melhor a ameaça de explosões poderosas ou ejeções de massa coronal, os pesquisadores empregam técnicas inventivas.

Esta ejeção de massa coronal tornádica foi capturada pelo Solar Dynamics Observatory da NASA em 31 de agosto de 2012. Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center

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O Sol é uma estrela ativa. Mesmo em seu estado mais silencioso, sua superfície treme e estremece como se ela mal pudesse conter o conteúdo de sua barriga quente. E quando ele finalmente libera esse poder assustador, lançando uma erupção solar ou uma ejeção de massa coronal (CME) no espaço interplanetário, podemos apenas esperar que a explosão acerte a Terra.

Se não errar, a Terra carrega o peso da fúria do Sol. Isso pode fazer com que nosso planeta experimente fortes tempestades geomagnéticas, que podem interromper os sistemas de navegação, sobrecarregar as redes de energia e derrubar satélites em órbita. Os custos econômicos de uma explosão solar poderosa e bem direcionada podem chegar a bilhões de dólares por dia.

Prevenir um desastre potencial causado por nossa estrela mais próxima será difícil, para dizer o mínimo. Para ter uma chance, temos que aprender mais sobre a atividade solar. No entanto, os eventos mais poderosos também são muito raros. Para compreender o extremo do comportamento solar, precisamos observar o Sol em longas escalas de tempo - e perscrutar seu passado distante.

Séculos de dados

A primeira evidência de atividade solar que os humanos notaram foram as manchas solares, com os primeiros registros conhecidos datando de 28 aC na China antiga. Observações telescópicas detalhadas de manchas solares datam de 1600 e representam talvez a mais longa série de observações diretas de qualquer fenômeno natural. A contagem de manchas solares revelou que seus números mudam periodicamente ao longo do tempo em um ciclo de 11 anos, de virtualmente zero a dezenas ou mesmo centenas de manchas pontilhando a face do Sol de uma só vez.

O registro do número mensal de manchas solares desde 1749 revela como a atividade solar muda periodicamente ao longo do tempo em um ciclo de 11 anos. A área vermelha representa um valor médio móvel. Crédito da imagem: McIntosh et al. 2020

Observações adicionais em solo e, na era moderna, observatórios baseados no espaço ligaram as manchas solares aos campos magnéticos. O fluxo de plasma quente dentro do Sol gera correntes elétricas, que por sua vez geram campos magnéticos. A rotação solar estica e torce esses campos ao redor do sol. As manchas solares marcam as regiões onde as linhas do campo magnético penetram na superfície; a pressão que exercem resfria o gás, fazendo com que pareçam não tão brilhantes quanto os arredores.

Às vezes, as linhas do campo magnético emaranhadas se rompem, liberando uma enorme quantidade de energia. O flare emergente atira partículas e radiação de alta energia para o espaço. Conforme os loops magnéticos se reconectam, eles podem deixar a superfície, carregando plasma com eles para o espaço como um CME.

Os cientistas entendem a física básica dos fenômenos solares explosivos. Mas os detalhes permanecem indefinidos. “O que o torna instável, onde isso acontece, podemos ter um certo tempo de espera para prevê-lo?” São perguntas que os pesquisadores estão tentando responder, diz Astrid Veronig, física solar da Universidade de Graz, na Áustria.

Para respondê-los, os dados históricos podem ser tão importantes quanto novas observações.

Detalhando a história solar

O primeiro sinalizador detectado diretamente também foi um dos mais fortes. O evento Carrington de 1859 causou estragos nas redes telegráficas e gerou auroras que, no hemisfério norte, eram visíveis até o sul do Caribe. Um evento igualmente forte de 2012, felizmente falhou na Terra. Mas tais eventos, embora ameaçadores, são pálidos em comparação com superflares em outras estrelas, cuja produção de energia pode ser de 10 a 10.000 vezes mais forte. No que diz respeito à queima, o Sol há muito é considerado uma estrela relativamente clemente.

E então, em 2012, os cientistas descobriram que o Sol produziu um superflare em 775 DC - uma revelação que mostrou que o Sol é capaz de muito mais do que se acreditava anteriormente.

Os vestígios de tais eventos solares violentos estão escondidos nos anéis de árvores antigas e nas profundezas das camadas de gelo das calotas polares da Terra. Quando um fluxo de partículas energéticas, acelerado por uma explosão, invade a atmosfera da Terra, ele desencadeia uma cadeia de reações. As colisões entre as partículas e as moléculas de ar criam isótopos radioativos (elementos com o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons) que eventualmente se estabelecem em todo o planeta. Os isótopos são absorvidos pelos anéis das árvores, onde os cientistas podem pesquisar picos nas concentrações de isótopos. E como cada anel de árvore corresponde a um ano de crescimento, eles podem determinar com muita precisão o ano em que ocorreu cada pico.

Os anéis das árvores em diferentes lugares da Terra mostram um aumento repentino na concentração de carbono-14 entre os anos 774 e 775 DC, indicando um forte evento solar. Crédito da imagem: Uusitalo et al. 2018

“Árvores velhas são muito valiosas e nós colaboramos com dendrocronologistas para usar árvores velhas”, disse Fusa Miyake, da Universidade de Nagoya, no Japão, que liderou a pesquisa que relatou o superflare AD 775. Um importante agente de datação é o carbono-14, um isótopo com seis prótons e oito nêutrons em seu núcleo. Os núcleos de gelo armazenam os isótopos berílio-10 e cloro-36, que fornecem informações de datação semelhantes, embora um pouco menos precisas.

Até o momento, os cientistas encontraram um punhado de candidatos à superflare solar, e pode haver mais deles enterrados nos dados. “Existe a possibilidade de que o evento mais forte não tenha sido encontrado porque há muitos períodos que não foram levantados”, diz Miyake.

No entanto, essas técnicas de datação são limitadas a amostras relativamente recentes. A vida útil do carbono-14 permite a datação de até 50.000 anos no passado, e existem amostras de árvores com até 42.000 anos. Mas os cientistas só conseguiram datar amostras dendrocronologicamente nos últimos 12.000 anos, um período geológico conhecido como Holoceno.

O astronauta James Irwin da Apollo 15 se prepara para perfurar 2,4 metros de profundidade na superfície para coletar uma amostra de rocha. Crédito da imagem: NASA

A memória de um milhão de anos da Lua

Essa limitação terrena levanta uma questão: a atividade solar no Holoceno é especial? Para responder a isso, os cientistas precisam recorrer a um corpo planetário completamente diferente: a Lua.

“A rocha lunar ou qualquer outra rocha desprotegida pela atmosfera é um espectrômetro aproximado”, diz Ilya Usoskin, da Universidade de Oulu, na Finlândia. Quando um raio cósmico atinge uma rocha, ele induz uma reação nuclear e cria isótopos, que podem ser analisados em laboratório. Alguns desses raios cósmicos são partículas carregadas do Sol; outros (que tendem a ter mais energia) vêm de fontes mais distantes na Via Láctea, além do nosso sistema solar.

As missões Apollo retornaram com muitas amostras de rocha lunar - incluindo um núcleo de perfuração de 2,4 metros de profundidade coletado na Apollo 15. Este núcleo é significativo porque os raios cósmicos galácticos, que são mais abundantes em altas energias do que as partículas solares, planta isótopos profundamente nas rochas. Em contraste, os raios cósmicos solares deixam suas marcas apenas em rochas mais rasas. O núcleo profundo da Apollo 15 permite que os cientistas entendam as contribuições dos raios cósmicos galácticos - o que significa que eles podem identificar as contribuições das partículas solares nas camadas mais rasas para entender melhor o comportamento do Sol ao longo do tempo.

Os cientistas só podem extrair informações sobre um bombardeio de partículas com duração média de vários milhões de anos. No entanto, o método fornece insights valiosos. Por exemplo, as concentrações de isótopos sugerem que, em média, a atividade solar permaneceu relativamente constante nos últimos milhões de anos. Além disso, o número de superflares inferidos das rochas lunares concorda bem com o número observado de eventos marcados por depósitos de isótopos em anéis de árvores.

Em outras palavras, não devemos esperar que a atividade do Sol diminua tão cedo.

Adolescência solar

Às vezes, no entanto, precisamos olhar para estrelas distantes para aprender sobre o passado distante do Sol. “Outras estrelas nos contam como o Sol se comportou no tempo”, diz Veronig. Por exemplo, estrelas mais jovens geralmente giram mais rápido. E como a rotação de uma estrela impulsiona seu dínamo magnético, uma rotação mais rápida produz campos magnéticos mais fortes, levando a eventos de chamas mais fortes. Os cientistas acreditam, portanto, que o Sol era muito mais ativo em sua juventude.

A atividade do jovem Sol pode não ser tão relevante para nós hoje, mas foi muito importante para nossos primeiros predecessores pré-históricos. “A história do Sol está ligada à história dos planetas porque fortes chamas e CMEs interagem com os planetas”, diz Veronig. Por exemplo, ter alguns flares pode ajudar a construir moléculas complexas como RNA e DNA a partir de blocos de construções mais simples. Mas muitas chamas intensas podem destruir atmosferas inteiras, tornando um planeta inabitável.

Brilho de uma estrela em função do tempo. Superflares mostram-se como reacendimentos repentinos e curtos. Crédito da imagem: Notsu et al. 2013

Nossas observações nos dizem que superflares não são incomuns em estrelas semelhantes ao Sol. Mas para aprender mais sobre a atividade em outras estrelas, os pesquisadores também gostariam de estudar seus CMEs mais fracos, que não podem ser observados diretamente. Veronig e seus colegas desenvolveram recentemente uma técnica para detectar CMEs em outras estrelas, procurando o escurecimento característico em comprimentos de onda ultravioleta e de raios-X que seguem um evento CME. A equipe encontrou fortes evidências de explosões CME em várias estrelas, incluindo Proxima Centauri, a estrela mais próxima da Terra.

Outra forma de medir a atividade estelar é inferi- la a partir da presença e do tamanho das manchas estelares. Isso pode ser feito medindo o brilho de uma estrela ao longo do tempo enquanto ela gira; os astrônomos podem então identificar quedas no brilho que correspondem a grupos de manchas estelares girando dentro e fora do campo de visão. Mais recentemente, algumas estrelas foram determinadas e fotografadas usando interferometria, permitindo que os astrônomos vejam suas manchas estelares diretamente.

No momento, não podemos prever quando um flare ocorrerá no Sol, nem se um CME lançado pode representar uma ameaça. Mas nossos estudos do passado solar já nos ensinaram uma lição importante. As agências espaciais e os governos costumavam ignorar o perigo dos superflares, cuja taxa havia sido estimada em menos de um por milhão de anos. Mas agora parece que um superflare solar pode ocorrer uma vez por milênio, talvez até tão frequente quanto uma vez a cada 500 anos. “Isso deve ser levado em consideração”, diz Usoskin. “Porque uma vez a cada 500 anos não é tão raro.”

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Referência:

JAPELJ, Jure. How astronomers probe the Sun’s explosive past. Astronomy, 26, out. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/news/2021/10/how-astronomers-learn-about-the-suns-explosive-past>. Acesso em: 30, out. 2021.