Captado pela primeira vez o ciclo de vida completo de uma erupção solar

Pela primeira vez, uma equipa de cientistas usou um modelo computacional único e coeso para simular todo o ciclo de vida de uma erupção solar: desde a acumulação de energia milhares de quilómetros abaixo da superfície solar, passando pela emergência de linhas emaranhadas de campo magnético, até à libertação explosiva de energia num flash brilhante.

O feito, detalhado na revista Nature Astronomy, define o cenário para os futuros modelos solares simularem realisticamente o próprio clima do Sol à medida que se desenrola em tempo real, incluindo o aparecimento de manchas solares, que por vezes produzem proeminências e ejeções de massa coronal. Estas erupções podem ter impactos generalizados na Terra, desde interromper redes de energia e redes de comunicações, até prejudicar satélites e pondo os astronautas em perigo.

A investigação foi liderada por cientistas do NCAR (National Center for Atmospheric Research) e do Laboratório de Física Solar e Astrofísica da Lockheed Martin. A nova simulação abrangente captura a formação de uma erupção solar de forma mais realista do que os esforços anteriores, e inclui o espectro de emissões de luz conhecidas por estarem associadas a explosões no Sol.

“Este trabalho permite-nos fornecer uma explicação para o porquê de as erupções terem o aspeto que têm, não apenas num único comprimento de onda, mas no visível, no ultravioleta, no ultravioleta extremo e em raios-X,” disse Mark Cheung, físico da equipa do Laboratório de Física Solar e Astrofísica da Lockheed Martin e académico visitante da Universidade de Stanford. “Estamos a explicar as muitas cores das erupções solares.”

Para o novo estudo, os cientistas tiveram que construir um modelo solar que pudesse estender-se por várias regiões do Sol, capturando o comportamento físico complexo e único de cada uma.

O modelo resultante começa na parte superior da zona de convecção – cerca de 10.000 quilómetros abaixo da superfície do Sol – sobe através da superfície solar e vai até 40.000 km para a atmosfera solar, conhecida como coroa. As diferenças na densidade do gás, na pressão e noutras características do Sol, representadas em todo o modelo, são vastas.

Para simular com sucesso uma erupção solar desde o aparecimento até à libertação de energia, os cientistas precisaram acrescentar equações detalhadas ao modelo que permitissem com que cada região contribuísse para a evolução da erupção solar de maneira realista. Mas também tiveram que ter cuidado para não tornar o modelo tão complicado que deixasse de ser prático a sua execução nos recursos disponíveis de supercomputação.

“Temos um modelo que abrange uma grande variedade de condições físicas, o que o torna muito desafiador,” afirmou o cientista Matthias Rempel do NCAR. “Este tipo de realismo requer soluções inovadoras.”

Para resolver os desafios, Rempel utilizou uma técnica matemática historicamente usada por investigadores que estudam as magnetosferas da Terra e dos outros planetas. A técnica, que permitiu que os cientistas comprimissem a diferença nas escalas de tempo entre as camadas sem perder a precisão, fez com que a equipa de investigação criasse um modelo que fosse realista e computacionalmente eficiente.

O próximo passo foi configurar um cenário do Sol simulado. Em pesquisas anteriores, usando modelos menos complexos, os cientistas precisaram iniciar os modelos quase no momento em que a erupção ia acontecer para conseguirem formar uma explosão.

No novo estudo, a equipa queria ver se o seu modelo podia gerar uma erupção autonomamente. Começaram por criar um cenário com condições inspiradas por uma mancha solar particularmente ativa observada em março de 2014.

A mancha solar deu azo a dúzias de erupções durante o tempo em que foi visível, incluindo uma pertencente à poderosa classe-X e três moderadamente poderosas de classe-M. Os cientistas não tentaram imitar a mancha solar de 2014 com precisão; ao invés, tentaram aproximar os mesmos ingredientes solares que estavam presentes à época – e que foram tão eficazes na produção de proeminências. De seguida, deixaram o modelo correr, vendo se este conseguia produzir uma erupção por conta própria.

“O nosso modelo foi capaz de capturar todo o processo, desde a acumulação de energia, passando pela subida até à superfície, até à coroa, energizando a coroa, e depois chegando ao ponto em que a energia é libertada numa erupção solar,” explicou Rempel.

Agora que o modelo mostrou ser capaz de simular realisticamente todo o ciclo de vida de uma erupção solar, os cientistas vão testá-lo com observações reais do Sol e ver se consegue simular com sucesso o que realmente ocorre na superfície solar.

“Esta foi uma simulação singular inspirada em dados observados,” realçou Rempel. “O próximo passo é inserir diretamente dados observados no modelo e deixá-lo influenciar o que acontece. É uma maneira importante de validar o modelo, e o modelo também nos pode ajudar a entender melhor o que observamos no Sol.”