Em 1610, Galileu redesenhou o telescópio e descobriu as quatro maiores luas de Júpiter. Quase 400 anos depois, O Telescópio Espacial Hubble da NASA usou sua ótica poderosa para olhar nas profundezas do espaço - permitindo aos cientistas determinar a idade do universo.

Basta dizer que ter uma visão melhor das coisas produz grandes avanços científicos.

Em um artigo publicado em 18 de julho no The Astrophysical Journal , uma equipe de cientistas liderada por Craig DeForest - físico solar da filial do Southwest Research Institute em Boulder, Colorado - demonstre que esta tendência histórica ainda se mantém. Usando algoritmos avançados e técnicas de limpeza de dados, a equipe descobriu nunca detectado antes, estruturas de granulação fina na coroa externa - a atmosfera de um milhão de graus do Sol - analisando imagens obtidas pela espaçonave STEREO da NASA. Os novos resultados também fornecem um prenúncio do que pode ser visto pela Parker Solar Probe da NASA, que após seu lançamento no verão de 2018 orbitará diretamente por essa região.

A coroa externa é a fonte do vento solar, o fluxo de partículas carregadas que fluem para fora do Sol em todas as direções. Medido perto da Terra, os campos magnéticos embutidos no vento solar são interligados e complexos, mas o que causa essa complexidade permanece obscuro.

"No espaço profundo, o vento solar é turbulento e forte, "disse DeForest." Mas como é que ficou assim? Deixou o sol suave, e tornou-se turbulento ao cruzar o sistema solar, ou as rajadas estão nos falando sobre o próprio Sol? "

Responder a esta pergunta requer observar a coroa externa - a fonte do vento solar - em detalhes extremos. Se o próprio Sol causar turbulência no vento solar, então devemos ser capazes de ver estruturas complexas desde o início da jornada do vento.

Mas os dados existentes não mostram uma estrutura tão refinada - pelo menos, até agora.

"Imagens anteriores da corona mostraram a região como uma superfície lisa, estrutura laminar, "disse Nicki Viall, físico solar do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e coautor do estudo. "Acontece que, essa aparente suavidade deveu-se apenas a limitações na resolução da nossa imagem. "

O estudo

Para entender a corona, DeForest e seus colegas começaram com imagens do coronógrafo - fotos da atmosfera do Sol produzidas por um telescópio especial que bloqueia a luz da superfície (muito mais brilhante).

Essas imagens foram geradas pelo coronógrafo COR2 a bordo do Observatório-A de Relações Solar e Terrestre da NASA, ou STEREO-A, nave espacial, que circunda o Sol entre a Terra e Vênus.

Em abril de 2014, STEREO-A logo estaria passando por trás do Sol, e os cientistas queriam obter alguns dados interessantes antes que as comunicações fossem brevemente interrompidas.

Então, eles realizaram uma campanha especial de coleta de dados de três dias, durante a qual COR2 teve exposições mais longas e frequentes da coroa do que o normal. Essas longas exposições permitem mais tempo para que a luz de fontes fracas atinja o detector do instrumento - permitindo que ele veja detalhes que, de outra forma, perderia.

Mas os cientistas não queriam apenas imagens de exposição mais longa - eles queriam que tivessem uma resolução mais alta. As opções eram limitadas. O instrumento já estava no espaço; ao contrário do Galileo, eles não podiam mexer no próprio hardware. Em vez de, eles adotaram uma abordagem de software, espremendo os dados da mais alta qualidade possível, melhorando a relação sinal-ruído do COR2.

O que é relação sinal-ruído?

A relação sinal-ruído é um conceito importante em todas as disciplinas científicas. Ele mede o quão bem você pode distinguir o que você se preocupa em medir - o sinal - daquilo que você não gosta - o ruído.

Por exemplo, digamos que você seja abençoado com uma ótima audição. Você percebe o menor dos guinchos de rato tarde da noite; você pode escutar os sussurros de alunos amontoados a seis metros de distância. Sua audição é impecável - quando o ruído é baixo.

Mas é um jogo totalmente diferente quando você está na primeira fila de um show de rock. Os outros sons no ambiente são muito fortes; não importa o quão atentamente você ouça, rato-guinchos e sussurros (o sinal, neste caso) não pode cortar a música (o ruído).

O problema não é sua audição - é a relação sinal / ruído ruim.

Os coronógrafos do COR2 são como a sua audição. O instrumento é sensível o suficiente para a imagem da corona em grande detalhe, mas, na prática, suas medições são poluídas pelo ruído - do ambiente espacial e até mesmo da fiação do próprio instrumento. A principal inovação de DeForest e seus colegas foi identificar e separar esse ruído, aumentando a relação sinal-ruído e revelando a coroa externa com detalhes sem precedentes.

A análise

O primeiro passo para melhorar a relação sinal-ruído já foi dado:imagens de exposição mais longa. Exposições mais longas permitem que mais luz entre no detector e reduzem o nível de ruído - a equipe estima a redução de ruído em um fator de 2,4 para cada imagem, e um fator de 10 ao combiná-los em um período de 20 minutos.

Mas as etapas restantes foram até algoritmos sofisticados, projetado e testado para extrair a verdadeira corona das medições ruidosas.

Eles filtraram a luz das estrelas de fundo (que criam pontos brilhantes na imagem que não são realmente parte da coroa). Eles corrigiram pequenas diferenças (alguns milissegundos) em quanto tempo o obturador da câmera permaneceu aberto. Eles removeram o brilho da linha de base de todas as imagens, e o normalizou para que as regiões mais brilhantes não apagassem as mais fracas.

Mas um dos obstáculos mais desafiadores é inerente à corona:o borrão de movimento devido ao vento solar. Para superar essa fonte de ruído, DeForest e seus colegas executaram um algoritmo especial para suavizar suas imagens no tempo.

Suavizando no tempo - com uma torção

Se você já olhou duas vezes, "você sabe uma coisa ou duas sobre suavizar no tempo. Uma segunda olhada, para verificar o primeiro - é apenas uma maneira de baixa tecnologia de combinar duas "medições" feitas em momentos diferentes, em uma medida na qual você pode ter mais confiança.

A suavização no tempo transforma essa ideia em um algoritmo. O princípio é simples:tire duas (ou mais) imagens, sobrepô-los, e fazer a média de seus valores de pixel juntos. Diferenças aleatórias entre as imagens acabarão se cancelando, deixando para trás apenas o que é consistente entre eles.

Mas quando se trata da coroa, há um problema:é uma dinâmica, estrutura em movimento e mudança persistente. O material solar está sempre se afastando do Sol para se tornar o vento solar. A suavização com o tempo criaria um desfoque de movimento - o mesmo tipo de desfoque que você vê em fotografias de objetos em movimento. Isso é um problema se seu objetivo é ver os detalhes.

Para desfazer o desfoque de movimento do vento solar, os cientistas usaram um novo procedimento:enquanto faziam o alisamento, eles estimaram a velocidade do vento solar e mudaram as imagens junto com ele.

Para entender como essa abordagem funciona, pense em tirar fotos da rodovia enquanto os carros passam. Se você simplesmente sobrepôs suas imagens, o resultado seria uma grande confusão embaçada - muita coisa mudou entre cada instantâneo.

Mas se você pudesse descobrir a velocidade do tráfego e mudar suas imagens para acompanhá-lo, de repente, os detalhes de carros específicos se tornariam visíveis.

Para DeForest e seus co-autores, os carros eram as estruturas em escala fina da coroa, e o tráfego da rodovia era o vento solar.

É claro que não há sinais de limite de velocidade na corona para informar o quão rápido as coisas estão se movendo. Para descobrir exatamente quanto deslocar as imagens antes de calcular a média, eles deslocaram as imagens pixel a pixel, correlacioná-los uns com os outros para calcular o quão semelhantes eles eram. Eventualmente, eles encontraram o ponto ideal, onde as partes sobrepostas das imagens eram tão semelhantes quanto possível. A quantidade de deslocamento correspondeu a uma velocidade média do vento solar de cerca de 136 milhas por segundo. Mudando cada imagem nessa quantidade, eles alinharam as imagens e suavizaram, ou calculou a média deles juntos.

"Nós suavizamos, não apenas no espaço, não apenas a tempo, mas em um sistema de coordenadas em movimento, "DeForest disse." Isso nos permitiu criar um borrão de movimento que não foi determinado pela velocidade do vento, mas pela rapidez com que as características mudaram com o vento. "

Agora DeForest e seus colaboradores tinham imagens de alta qualidade da coroa - e uma maneira de saber o quanto ela estava mudando com o tempo.

Os resultados

A descoberta mais surpreendente não foi uma estrutura física específica - foi a simples presença da estrutura física por si só.

Comparado com o dinâmico, turbulenta corona interna, os cientistas consideraram a coroa externa lisa e homogênea. Mas essa suavidade era apenas um artefato da relação sinal / ruído pobre:

"Quando removemos o máximo de ruído possível, percebemos que a corona é estruturada, todo o caminho até a resolução óptica do instrumento, "DeForest disse.

Como as folhas individuais de grama que você vê apenas quando está de perto, a complexa estrutura física da corona foi revelada em detalhes sem precedentes. E de entre esse detalhe físico, surgiram três descobertas principais.

A estrutura das flâmulas coronais

Serpentinas coronais - também conhecidas como serpentinas de capacete, porque se assemelham ao capacete pontudo de um cavaleiro - são estruturas brilhantes que se desenvolvem sobre regiões do Sol com atividade magnética aprimorada. Facilmente observado durante eclipses solares, loops magnéticos na superfície do Sol são estendidos até pontas pontiagudas pelo vento solar e podem irromper em ejeções de massa coronal, ou CMEs, as grandes explosões de matéria que ejetam partes do Sol para o espaço circundante.

O processamento de observações STEREO de DeForest e seus co-autores revela que os próprios streamers são muito mais estruturados do que se pensava anteriormente.

"O que descobrimos é que não existe um único streamer, "DeForest disse." As próprias fitas são compostas por uma miríade de fios finos que, juntos, formam uma média para produzir uma característica mais brilhante. "

A zona de Alfvén

Onde termina a corona e começa o vento solar? Uma definição aponta para a superfície de Alfvén, um limite teórico onde o vento solar começa a se mover mais rápido do que as ondas podem viajar para trás por ele. Nesta região de fronteira, perturbações que acontecem em um ponto mais distante no material solar viajante nunca podem se mover para trás rápido o suficiente para alcançar o sol.

"O material que flui pela superfície de Alfvén é perdido para o Sol para sempre, "DeForest disse.

Os físicos sempre acreditaram que a superfície de Alfvén era apenas isso - uma superfície, ou camada semelhante a uma folha onde o vento solar repentinamente atingiu uma velocidade crítica. Mas não foi isso que DeForest e seus colegas descobriram.

"O que concluímos é que não há uma superfície de Alfvén limpa, "DeForest disse." Há uma ampla 'terra de ninguém' ou 'zona de Alfvén' onde o vento solar gradualmente se desconecta do Sol, em vez de um único limite claro. "

As observações revelam uma estrutura irregular onde, a uma determinada distância do Sol, algum plasma está se movendo rápido o suficiente para interromper a comunicação para trás, e riachos próximos não. Os riachos estão perto o suficiente, e bom o suficiente, para confundir o limite natural da superfície de Alfvén para criar uma ampla, região parcialmente desconectada entre a corona e o vento solar.

Um mistério em 10 raios solares

Mas o exame mais atento da estrutura coronal também levantou novas questões.

A técnica usada para estimar a velocidade do vento solar localizou as altitudes, ou distâncias da superfície do Sol, onde as coisas estavam mudando rapidamente. E foi então que a equipe percebeu algo engraçado.

"Descobrimos que há uma correlação mínima em torno de 10 raios solares, "DeForest disse.

A uma distância de 10 raios solares, mesmo as imagens consecutivas pararam de combinar bem. Mas eles se tornaram mais semelhantes novamente em distâncias maiores - o que significa que não se trata apenas de se distanciar do sol. É como se as coisas mudassem repentinamente quando atingissem 10 raios solares.

"O fato de que a correlação é mais fraca em 10 raios solares significa que alguma física interessante está acontecendo por lá, "DeForest disse." Não sabemos o que é ainda, mas sabemos que vai ser interessante. "

Para onde vamos a partir daqui

As descobertas abrem caminho em um antigo debate sobre a origem da complexidade do vento solar. Embora as observações STEREO não resolvam a questão, a metodologia da equipe abre um elo que faltava na cadeia do sol ao vento solar.

"Vemos toda essa variabilidade no vento solar pouco antes de atingir a magnetosfera da Terra, e um de nossos objetivos era perguntar se era mesmo possível que a variabilidade se formasse no sol. Acontece que a resposta é sim, "Viall disse.

"Isso nos permite, pela primeira vez, realmente sondar a conectividade através da corona e ajustar o quão emaranhado achamos que o campo magnético fica na corona em relação ao vento solar, "DeForest adicionado.

Essas primeiras observações também fornecem informações importantes sobre o que a próxima Parker Solar Probe da NASA encontrará, como a primeira missão a reunir medições de dentro da coroa solar externa. Essa espaçonave viajará a uma distância de 8,86 raios solares, direto para a região onde coisas interessantes podem ser encontradas. Os resultados de DeForest e colegas permitem-lhes fazer previsões do que a Parker Solar Probe pode observar nesta região.

"Devemos esperar grandes flutuações na densidade, flutuações magnéticas e reconexão em todos os lugares, e nenhuma superfície de Alfvén bem definida, "DeForest disse.

Complementado pelas medições in situ da Parker Solar Probe, algoritmos de imagem de longa exposição e redução de ruído se tornarão ainda mais valiosos para a nossa compreensão de nossa estrela mais próxima.