3857: IBEX traça 11 anos de mudanças nos limites do Sistema Solar

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista da nossa heliosfera, a bolha cósmica que rodeia o nosso Sol e Sistema Solar. À medida que a heliosfera “varre” o espaço interestelar, forma-se uma frente de choque, parecida à onda na parte da frente de um barco que navega pelo mar. Os arredores cósmicos da nossa heliosfera (esquerda) são conhecidos como o Fluff Local, uma nuvem de gases super-quentes. Onde o vento solar encontra o Fluff Local, chamamos heliopausa. Logo dentro situa-se uma região turbulenta de nome heliobainha. Também presentes na ilustração, as duas sondas Voyager com os seus percursos aproximados para lá da heliosfera. A Voyager 1 foi dirigida para norte do plano das órbitas dos planetas quando passou por Saturno em 1980. A Voyager 2 foi dirigida para baixo por Neptuno e viaja para sul do plano dos planetas.
Crédito: Walt Feimer, NASA/Goddard

Bem para lá das órbitas dos planetas encontram-se os contornos nublados da bolha magnética no espaço que chamamos lar.

Esta é a heliosfera, a vasta bolha que é gerada pelo campo magnético do Sol e que envolve todos os planetas. As fronteiras desta bolha cósmica não são fixas. Em resposta aos suspiros do Sol, encolhem e esticam-se ao longo dos anos.

Agora, pela primeira vez, os cientistas usaram um ciclo solar inteiro de dados da missão IBEX da NASA para estudar como a heliosfera muda com o tempo. Os ciclos solares duram aproximadamente 11 anos, à medida que o Sol oscila entre estações de alta e baixa actividade, e de volta a alta novamente. Com o longo histórico do IBEX, os cientistas estavam ansiosos de examinar como as mudanças de humor do Sol eram reproduzidas nos limites da heliosfera. Os resultados mostram a mudança da heliosfera externa em grande detalhe, esboçam habilmente a forma da heliosfera (uma questão de debate nos últimos anos) e sugerem processos por trás de uma das suas características mais intrigantes. Estas descobertas, juntamente com um conjunto de dados recém-ajustado, foram publicadas dia 10 de Junho na revista The Astrophysical Journal Supplements.

IBEX, abreviação para “Interstellar Boundary Explorer”, observa o limite do espaço interestelar há mais de 11 anos, mostrando-nos onde a nossa vizinhança cósmica se encaixa no resto da Galáxia.

“É uma missão muito pequena,” disse David McComas, investigador principal da IBEX na Universidade de Princeton em Nova Jersey, EUA. A nave IBEX tem o tamanho do pneu de um autocarro. “Tem sido um enorme sucesso, durante muito mais tempo do que se esperava. Temos sorte de agora ter um ciclo solar inteiro de observações.”

Mapeando a fronteira do Sistema Solar, uma partícula de cada vez

A heliosfera é preenchida pelo vento solar, o fluxo constante de partículas carregadas do Sol. O vento solar é expelido em todas as direcções, a cerca de 400 km/s, até atingir o meio interestelar, ventos de outras estrelas que preenchem o espaço entre elas.

À medida que o Sol atravessa o meio interestelar, gera uma onda quente e densa, semelhante à onda na frente de um barco que navega no mar. O nosso bairro cósmico é chamado “Fluff Local”, a nuvem de gases super-quentes que floresce em nosso redor. Onde o vento solar e o Fluff Local se encontram, forma a orla da heliosfera, chamada heliopausa. Logo dentro, existe uma região turbulenta chamada heliobainha.

Partículas chamadas átomos neutros energéticos, ou ANEs, formadas nesta região distante do espaço, são o foco das pesquisas do IBEX. São criadas quando partículas carregadas e quentes, como as do vento solar, colidem com partículas neutras frias, como as que fluem do espaço interestelar. As velozes partículas do vento solar podem roubar electrões de átomos interestelares mais lentos, tornando-se neutras.

A viagem destas partículas começa muito antes da detecção pelo IBEX. Depois dos planetas, depois da cintura de asteróides e da Cintura de Kuiper, até chegar à fronteira da heliosfera, uma “rajada” de vento solar demora um ano para percorrer 100 vezes a distância entre a Terra e o Sol. Ao longo do caminho, o vento solar capta átomos ionizados de gases interestelares que se infiltraram na heliosfera. O vento solar que alcança a orla não é o mesmo vento que deixou o Sol um ano antes.

As partículas do vento solar podem passar mais seis meses percorrendo o caos da heliobainha, o golfo entre as duas fronteiras externas de heliosfera. Inevitavelmente, algumas colidem com os gases interestelares e tornam-se neutras energéticas. Estas partículas neutras demoram quase outro ano para a viagem de regresso, atravessando o espaço desde a borda da heliosfera até alcançar a IBEX – caso as partículas viajem na direcção certa. De todas as partículas neutras formadas, somente algumas chegam à IBEX. A viagem das partículas mais energéticas na faixa de observações da IBEX demora dois a três anos, até mais tempo para energias mais baixas ou a partir de regiões mais distantes.

A nave IBEX aproveita o facto de que átomos neutros como estes não são desviados pelo campo magnético do Sol: as partículas neutras frescas afastam-se de colisões quase numa linha recta.

A IBEX examina os céus em busca de partículas, observando a sua direção e energia. A sonda detecta apenas uma a cada segundo. O resultado é um mapa da fronteira interestelar, criado a partir do mesmo princípio que um morcego usa para eco-localizar o seu caminho durante a noite: monitoriza um sinal recebido para aprender mais sobre o seu ambiente. Estudando de onde vêm as partículas neutras, e quando, a missão IBEX pode traçar os limites remotos da nossa heliosfera.

“Temos a sorte de observar isto de dentro da heliosfera,” disse Justyna Sokol, cientista visitante que faz parte da equipa de Princeton. “Estes são processos que ocorrem a distâncias muito pequenas. Quando observamos outras estrelas que estão muito distantes, observamos a distâncias de anos-luz, de fora das suas astrosferas.” Até a distância entre o Sol e o nariz da heliosfera é pequena quando comparada com muitos, muitos anos-luz.

Usando os mais de 11 anos de dados da IBEX, McComas e a sua equipa puderam estudar mudanças que evoluem ao longo do tempo e que são fundamentais para entender o nosso lugar no espaço.

O vento solar é constante, mas o vento não é estável. Quando o vento “sopra”, a heliosfera incha como um balão, e surgem partículas neutras nos limites externos. Quando o vento acalma, o balão contrai; as partículas neutras diminuem. O balancé resultante de partículas neutras, relataram os cientistas, ecoou consistentemente dois a três anos após as mudanças no vento – reflectindo a sua viagem até à orla deste balão e para trás.

“Demora muitos anos para estes efeitos alcançarem os limites da heliosfera,” disse James Szalay, outro membro da equipa de Princeton. “Termos agora tantos dados da IBEX permite-nos, finalmente, fazer estas correlações de longo prazo.”

Moldando a heliosfera

De 2009 a 2014, o vento soprou bastante baixo e constante, uma brisa suave. A heliosfera contraiu. Surgiu então uma surpresa no vento solar, como se o Sol soltasse um grande suspiro. No final de 2014, a sonda da NASA em órbita da Terra detectou o aumento de 50% da pressão do vento solar (desde então permaneceu alta durante vários anos).

Dois anos depois, o forte vento solar levou a uma enxurrada de partículas neutras na heliobainha. Outros dois anos depois, preencheram a maior parte do nariz da heliosfera. Eventualmente, alcançaram os pólos norte e sul da heliosfera.

Estas mudanças não foram simétricas. Cada “solavanco” observado traçou as peculiaridades da forma da heliosfera. Os cientistas ficaram surpresos ao ver claramente a onda de vento solar empurrando a heliopausa.

“O tempo e as partículas neutras realmente pintaram, para nós, as distâncias na forma da heliosfera,” explicou McComas.

A IBEX ainda não observou os efeitos deste soco cósmico no limite da heliosfera, a heliocauda. Isto significa que o final da cauda está muito mais distante do Sol do que o da frente; estas partículas estão numa viagem muito mais longa. Talvez o vento solar ainda esteja a aproximar-se da cauda, ou talvez as partículas neutras já estejam no caminho de volta. Nos próximos anos, a equipa do IBEX estará atenta a sinais do seu regresso da cauda.

“A natureza ‘montou’ esta experiência perfeita para melhor entendermos esta fronteira,” disse Szalay. “Temos que ver o que acontece quando esta grande coisa – o impulso do vento solar – muda.”

No geral, isto mostra uma imagem da heliosfera parecida à forma de um cometa. A forma da heliosfera tem sido motivo de debate nos últimos anos. Alguns argumentaram que a nossa bolha no espaço é esférica como um globo; outros sugeriram que era mais parecida com um croissant. Mas neste estudo, disse McComas, os dados do IBEX mostram claramente que a resposta da heliosfera ao impulso do vento solar foi assimétrica – portanto, a própria heliosfera também deve ser assimétrica. O Sol está situado perto da frente e, à medida que o Sol se move pelo espaço, a heliocauda segue muito mais atrás, algo como a cauda de um cometa.

Enfrentando o maior quebra-cabeças do IBEX

Os muitos anos de dados do IBEX também aproximaram os cientistas da explicação de uma das características mais intrigantes da heliosfera, conhecida como a faixa IBEX. A faixa permanece como uma das maiores descobertas do IBEX. Anunciada em 2009, refere-se a uma vasta região diagonal de partículas neutras energéticas, pintada na frente da heliosfera. Há muito que intriga os cientistas: por que razão é que qualquer parte da fronteira deve ser tão diferente do resto?

Com o tempo, a IBEX indicou que o que forma a faixa é muito diferente do que forma o resto do céu interestelar. É moldada pela direcção do campo magnético interestelar. Mas como são produzidas as partículas da faixa? Agora, os cientistas relatam que é muito provável que um processo secundário seja o responsável, fazendo com que a jornada de um certo grupo de partículas neutras energéticas mais ou menos duplique.

Depois de se tornarem partículas neutras energéticas, em vez de ricochetearem de volta para a espaço-nave IBEX, este grupo de partículas corre na direcção oposta, atravessa a heliopausa e entra no espaço interestelar. Aí, provam o “sabor” do Fluff Local, viajando até que algumas colidem inevitavelmente com partículas carregadas viajantes, perdendo um electrão novamente e ficando amarradas ao campo magnético circundante.

Após mais ou menos dois anos, as partículas carregadas podem colidir novamente com homólogas mais lentas, roubando electrões como o fizeram antes. Depois desta breve migração para lá da heliosfera, as partículas neutras “nascidas duas vezes” podem eventualmente voltar a entrar, regressando a casa.

Os dados da missão IBEX ajudaram os cientistas a ligar a faixa ao longo percurso interestelar das partículas. As partículas que formam a faixa viajaram cerca de dois anos e meio mais do que o resto das partículas neutras observadas. No que diz respeito ao pico do vento solar, a faixa levou mais dois anos, depois do resto da heliosfera, a começar a responder.

Excedendo em muito a sua missão inicial de dois anos, a sonda IBEX receberá em breve companhia de outra missão da NASA, a IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) na qual McComas também é investigador principal. A missão tem lançamento previsto para final de 2024.

“A sonda IMAP é uma oportunidade perfeita para estudar, com grande resolução e sensibilidade, o que a IBEX começou a mostrar-nos, para que possamos realmente obter uma compreensão detalhada da física na fronteira do Sistema Solar,” concluiu McComas.

Astronomia On-line
16 de Junho de 2020

 

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3513: Reimaginando a heliosfera, a bolha protectora do nosso Sistema Solar

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Será este o aspecto da heliosfera? Uma nova investigação sugere que sim. O tamanho e a forma do “campo de forças” magnético que protege o nosso Sistema Solar dos mortíferos raios cósmicos há muito que são debatidos pelos astrofísicos.
Crédito: Merav Opher, et al.

Está a viver numa bolha. Não é uma bolha metafórica – uma bolha real e literal. Mas não se preocupe, estamos todos. Todo o planeta, e todos os outros planetas do Sistema Solar, também estão na bolha. E podemos dever a nossa existência a ela.

Os físicos espaciais chamam esta bolha de heliosfera. É uma região vasta, que se estende a mais do dobro da distância de Plutão, que lança um “campo de forças” magnético em redor de todos os planetas, desviando partículas carregadas que, de outra forma, carregariam sobre o Sistema Solar e até rasgariam o nosso ADN, caso tivesse azar suficiente para se colocar no caminho delas.

A heliosfera deve a sua existência à interacção de partículas carregadas que fluem do Sol (o chamado vento solar) e partículas de fora do Sistema Solar. Embora pensemos no espaço entre as estrelas como perfeitamente vazio, na verdade é ocupado por uma mistura fina de poeira e gás de outras estrelas – estrelas vivas, estrelas mortas e estrelas que ainda não nasceram. Em média, por toda a Galáxia, cada volume de espaço do tamanho de um cubo de açúcar contém apenas um único átomo, e a área em redor do nosso Sistema Solar é ainda menos densa.

O vento solar está constantemente a empurrar este material interestelar. Mas quanto mais longe estiver do Sol, mais fraco esses empurrões se tornam. Após dezenas de milhares de milhões de quilómetros, a matéria interestelar começa a empurrar de volta. A heliosfera termina onde as duas forças se equilibram. Mas onde está, exactamente, este limite, e qual o seu aspecto?

Merav Opher, professora de astronomia na Faculdade de Artes e Ciências e do Centro para Física Espacial, ambos na Universidade de Boston, tem vindo a examinar estas questões há quase 20 anos. E, ultimamente, as suas respostas têm provocado um rebuliço.

Dado que todo o nosso Sistema Solar está em movimento através do espaço interestelar, a heliosfera, apesar do seu nome, não é realmente uma esfera. Os físicos espaciais há muito tempo que comparam a sua forma com a de um cometa, com um “nariz” redondo num lado e uma longa cauda que se estende na direcção oposta. Procure na Internet imagens da heliosfera, e esta é a imagem que certamente vai encontrar.

Mas em 2015, usando um novo modelo de computador e dados da sonda Voyager 1, Opher e o seu co-autor James Drake da Universidade de Maryland, chegaram a uma conclusão diferente: propuseram que a heliosfera tem na verdade a forma de um crescente – não muito diferente de um croissant. Neste modelo de “croissant”, dois jactos estendem-se a jusante do nariz, em vez de uma única cauda que desvanece. “Isto deu início à conversa sobre a estrutura global da heliosfera,” diz Opher.

O seu artigo não foi o primeiro a sugerir que a heliosfera não tinha o aspecto de um cometa, realça, mas deu foco a um debate recém-energizado. “Foi muito contencioso,” diz. “Estava a ser criticada em todas as conferências! Mas mantive-me firme.”

Então, dois anos após o início do debate sobre o “croissant”, as leituras da sonda Cassini, que orbitou Saturno de 2004 a 2017, sugeriram ainda outra visão da heliosfera. Cronometrando partículas que ecoavam nos limites da heliosfera e correlacionando-as com iões medidos pelas duas sondas Voyager, os cientistas da Cassini concluíram que a heliosfera é realmente quase redonda e simétrica: nem um cometa nem um croissant, mas mais como uma bola de praia. O resultado foi tão controverso quanto o croissant. “Não aceitamos facilmente este tipo de mudança,” diz Tom Krimigis, que liderou experiências tanto na Cassini como nas Voyager. “Toda a comunidade científica que trabalha nesta área havia assumido, durante mais de 55 anos, que a heliosfera tinha uma cauda parecida à de um cometa.”

Agora, Opher, Drake e os colegas Avi Loeb da Universidade de Harvard e Gabor Toth da Universidade de Michigan criaram um novo modelo tridimensional da heliosfera que poderá reconciliar o “croissant” com a bola de praia. O seu trabalho foi publicado na revista Nature Astronomy no passado dia 16 de Março.

Ao contrário dos modelos anteriores, que assumiram que as partículas carregadas no Sistema Solar pairavam em torno da mesma temperatura média, o novo modelo divide as partículas em dois grupos. Primeiro estão as partículas carregadas vindas directamente do vento solar. Em segundo, o que os físicos espaciais chamam de iões “pickup”. Estas são partículas que entraram no Sistema Solar numa forma electricamente neutra – como não são desviados pelos campos magnéticos, as partículas neutras podem “simplesmente entrar”, diz Opher – mas viram os seus electrões arrancados.

A nave New Horizons, que está agora a explorar o espaço para lá de Plutão, revelou que estas partículas se tornam centenas ou milhares de vezes mais quentes do que os comuns iões do vento solar à medida que são transportados pelo vento solar e acelerados pelo seu campo eléctrico. Mas foi apenas graças à modelagem da temperatura, densidade e velocidade dos dois grupos de partículas, separadamente, que os investigadores descobriram a sua excessiva influência na forma da heliosfera.

Esta forma, de acordo com o novo modelo, na verdade divide a diferença entre um croissant e a esfera. Chamemos-lhe de bola de praia vazia ou croissant “bulboso”: de qualquer maneira, parece ser algo com o qual a equipa de Opher e os investigadores da Cassini concordam.

O novo modelo parece muito diferente daquele modelo clássico de cometa. Mas os dois podem ser realmente mais idênticos do que parecem, diz Opher, dependendo exactamente de como definimos o limite da heliosfera. Pensemos em transformar uma foto em escala de cinza em apenas preto e branco: a imagem final depende muito de exactamente qual o tom de cinza que escolhemos como a linha divisória entre preto e branco.

Mas, porque é que haveríamos de nos preocupar com a forma da heliosfera? Os investigadores que estudam os exoplanetas – planetas em torno de outras estrelas – estão profundamente interessados em comparar a nossa heliosfera com as de outras estrelas. Poderiam o vento solar e a heliosfera ser ingredientes-chave na receita da vida? “Se queremos compreender o nosso ambiente, temos que compreender toda esta heliosfera,” diz Loeb, colaborador de Opher em Harvard.

E ainda há a questão daquelas partículas interestelares destruidoras de ADN. Os investigadores ainda estão a trabalhar no que, exactamente, significam para a vida na Terra e para os outros planetas. Alguns pensam que podem realmente ter ajudado a conduzir as mutações genéticas que levaram a formas de vida como nós, diz Loeb. “Na quantidade certa, introduzem mudanças, mutações que permitem que um organismo evolua e se torne mais complexo,” explica. Mas a diferença entre o remédio e o veneno é a dose, já diz o ditado. “Há sempre um equilíbrio delicado ao lidar com a vida como a conhecemos. Algo bom em demasia, é mau,” diz Loeb.

No entanto, quando se trata de dados, raramente há algo bom em demasia. E, embora os modelos pareçam estar a convergir, ainda estão limitados por uma escassez de dados das áreas exteriores do Sistema Solar. É por isso que investigadores como Opher esperam estimular a NASA para lançar uma sonda interestelar de próxima geração que abrirá um caminho através da heliosfera e detectará directamente iões “pickup” perto da periferia da heliosfera. Até agora, apenas as naves espaciais Voyager 1 e 2 passaram essa fronteira, e foram lançadas há mais de 40 anos, carregando instrumentos de uma era mais antiga, construídos para fazer um trabalho diferente. Os defensores da missão do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins dizem que uma nova sonda poderá ser lançada algures na década de 2030 e que poderá começar a explorar o limite da heliosfera 10 ou 15 anos depois disso.

“Com a Sonda Interestelar, esperamos resolver pelo menos alguns dos inúmeros mistérios que as Voyager começaram a levantar,” diz Opher. E isso, acha ela, vale a pena a espera.

Astronomia On-line
24 de Março de 2020

 

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