Algo misterioso está acontecendo no sol. Desafiando toda a lógica, sua atmosfera fica muito forte, muito mais quente quanto mais se distanciar da superfície escaldante do Sol.

Temperaturas na coroa - as tênues, camada mais externa da atmosfera solar - com pico de 2 milhões de graus Fahrenheit, enquanto apenas 1, 000 milhas abaixo, a superfície subjacente ferve em uma temperatura agradável de 10, 000 F. Como o Sol consegue esse feito continua sendo uma das maiores questões sem resposta na astrofísica; os cientistas chamam isso de problema de aquecimento coronal. Um novo, missão marcante, Parker Solar Probe da NASA - programado para lançamento não antes de 11 de agosto, 2018 - vai voar através da própria corona, buscando pistas sobre seu comportamento e oferecendo aos cientistas a chance de resolver este mistério.

Da Terra, como vemos na luz visível, a aparência do Sol - quieto, imutável - desmente a vida e o drama de nossa estrela mais próxima. Sua superfície turbulenta é abalada por erupções e intensas explosões de radiação, que lançam material solar em velocidades incríveis para todos os cantos do sistema solar. Esta atividade solar pode desencadear eventos climáticos espaciais que têm o potencial de interromper as comunicações de rádio, prejudicar satélites e astronautas, e no seu mais severo, interferir nas redes de energia.

Acima da superfície, a corona se estende por milhões de milhas e se turva com plasma, os gases superaquecem tanto que se separam em um fluxo elétrico de íons e elétrons livres. Eventualmente, continua para fora como o vento solar, um fluxo supersônico de plasma permeando todo o sistema solar. E entao, é que os humanos vivem bem dentro da extensa atmosfera de nosso sol. Compreender totalmente a corona e todos os seus segredos é compreender não apenas a estrela que alimenta a vida na Terra, mas também, o próprio espaço ao nosso redor.

Um mistério de 150 anos

Muito do que sabemos sobre a corona está profundamente enraizado na história dos eclipses solares totais. Antes de instrumentos sofisticados e naves espaciais, a única maneira de estudar a corona da Terra era durante um eclipse total, quando a Lua bloqueia a face brilhante do Sol, revelando o ambiente, dimmer corona.

A história do problema do aquecimento coronal começa com uma linha espectral verde observada durante um eclipse total de 1869. Como diferentes elementos emitem luz em comprimentos de onda característicos, os cientistas podem usar espectrômetros para analisar a luz do Sol e identificar sua composição. Mas a linha verde observada em 1869 não correspondia a nenhum elemento conhecido na Terra. Os cientistas pensaram que talvez tivessem descoberto um novo elemento, e eles o chamaram de coronium.

Só 70 anos depois um físico sueco descobriu que o elemento responsável pela emissão é o ferro, superaquecido a ponto de ser ionizado 13 vezes, deixando-o com apenas metade dos elétrons de um átomo normal de ferro. E aí está o problema:os cientistas calcularam que esses altos níveis de ionização exigiriam temperaturas coronais em torno de 2 milhões de graus Fahrenheit - quase 200 vezes mais quentes do que a superfície.

Por décadas, esta linha verde aparentemente simples tem sido a Mona Lisa da ciência solar, cientistas desconcertantes que não conseguem explicar sua existência. Desde a identificação de sua fonte, entendemos que o quebra-cabeça é ainda mais complexo do que parecia à primeira vista.

"Penso no problema do aquecimento coronal como um guarda-chuva que cobre alguns problemas confusos relacionados, "disse Justin Kasper, um cientista espacial da Universidade de Michigan em Ann Arbor. Kasper também é o investigador principal do SWEAP, abreviação de Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, um conjunto de instrumentos a bordo do Parker Solar Probe. "Primeiro, como a corona fica tão quente tão rapidamente? Mas a segunda parte do problema é que não apenas começa, continua indo. E não só o aquecimento continua, mas diferentes elementos são aquecidos em taxas diferentes. "É uma dica intrigante do que está acontecendo com o aquecimento ao sol.

Desde a descoberta da coroa quente, cientistas e engenheiros trabalharam muito para entender seu comportamento. Eles desenvolveram modelos e instrumentos poderosos e lançaram espaçonaves que observam o Sol 24 horas por dia. Mas mesmo os modelos mais complexos e observações de alta resolução podem explicar apenas parcialmente o aquecimento coronal, e algumas teorias se contradizem. Também existe o problema de estudar a corona de longe.

Podemos viver dentro da atmosfera expansiva do Sol, mas a corona e o plasma solar no espaço próximo à Terra diferem dramaticamente. O lento vento solar leva cerca de quatro dias para viajar 93 milhões de milhas e chegar à Terra ou à espaçonave que a estuda - tempo suficiente para que ele se misture com outras partículas que voam pelo espaço e perdem suas características definidoras.

Estudar essa sopa homogênea de plasma em busca de pistas para o aquecimento coronal é como tentar estudar a geologia de uma montanha, peneirando sedimentos no delta de um rio, milhares de milhas rio abaixo. Ao viajar para a coroa, A Parker Solar Probe irá amostrar partículas recém-aquecidas, removendo as incertezas de uma jornada de 93 milhões de milhas e enviando de volta à Terra as medições mais primitivas da coroa já registradas.

"Todo o nosso trabalho ao longo dos anos culminou neste ponto:percebemos que nunca poderemos resolver totalmente o problema do aquecimento coronal até enviarmos uma sonda para fazer medições na própria corona, "disse Nour Raouafi, Parker Solar Probe vice-cientista do projeto e físico solar do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, Maryland.

Viajar para o Sol é uma ideia mais antiga que a própria NASA, mas levou décadas para projetar a tecnologia que torna sua jornada possível. Naquele tempo, os cientistas determinaram exatamente que tipos de dados - e instrumentos correspondentes - eles precisam para completar uma imagem da coroa e responder a essas questões candentes.

Explicando os segredos da corona

A Parker Solar Probe testará duas teorias principais para explicar o aquecimento coronal. As camadas externas do Sol estão constantemente fervendo e se agitando com energia mecânica. À medida que células massivas de plasma carregado se agitam através do Sol - da mesma forma que bolhas distintas rolam por uma panela de água fervente - seu movimento fluido gera campos magnéticos complexos que se estendem até a coroa. De alguma forma, os campos emaranhados canalizam essa energia feroz para a coroa na forma de calor - como eles fazem isso é o que cada teoria tenta explicar.

Uma teoria propõe que as ondas eletromagnéticas são a raiz do calor extremo da corona. Talvez esse movimento fervente lance ondas magnéticas de uma certa frequência - chamadas ondas de Alfvén - das profundezas do Sol para a coroa, que enviam partículas carregadas girando e aquecendo a atmosfera, um pouco como as ondas do oceano empurram e aceleram os surfistas em direção à costa.

Outro sugere explosões semelhantes a bombas, chamados nanoflares, através da superfície do Sol, despeja calor na atmosfera solar. Como suas contrapartes maiores, erupções solares, Acredita-se que as nanoflares resultem de um processo explosivo chamado reconexão magnética. A ebulição turbulenta no Sol torce e contorce as linhas do campo magnético, acumulando estresse e tensão até que se quebrem de forma explosiva - como quebrar um elástico enrolado - acelerando e aquecendo as partículas em seu rastro.

As duas teorias não são necessariamente mutuamente exclusivas. Na verdade, para complicar as coisas, muitos cientistas acham que ambos podem estar envolvidos no aquecimento da coroa. As vezes, por exemplo, a reconexão magnética que dispara uma nanoflare também pode lançar ondas Alfvén, que então aquece ainda mais o plasma circundante.

A outra grande questão é, com que frequência esses processos acontecem - constantemente ou em explosões distintas? Responder isso requer um nível de detalhe que não temos a 150 milhões de quilômetros de distância.

"Estamos chegando perto do aquecimento, e há momentos em que a Parker Solar Probe irá co-girar, ou orbitar o Sol na mesma velocidade em que o próprio Sol gira, "disse Eric Christian, um cientista espacial do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e membro da equipe científica da missão. "Essa é uma parte importante da ciência. Ao pairar sobre o mesmo local, veremos a evolução do aquecimento. "

Descobrindo a evidência

Assim que a Parker Solar Probe chegar à coroa, como isso ajudará os cientistas a distinguir se ondas ou nanoflares impulsionam o aquecimento? Embora a espaçonave carregue quatro conjuntos de instrumentos para uma variedade de tipos de pesquisa, dois em particular irão obter dados úteis para resolver o mistério do aquecimento coronal:o experimento FIELDS e o SWEAP.

Supervisor de forças invisíveis, CAMPOS, liderado pela Universidade da Califórnia, Berkeley, mede diretamente os campos elétricos e magnéticos, a fim de entender os choques, ondas e eventos de reconexão magnética que aquecem o vento solar.

SWEAP - liderado pelo Harvard-Smithsonian Astrophysical Observatory em Cambridge, Massachusetts - é a metade complementar da investigação, coleta de dados sobre o próprio plasma quente. Ele conta as partículas mais abundantes no vento solar - elétrons, prótons e íons de hélio - e mede sua temperatura, o quão rápido eles estão se movendo depois de serem aquecidos, e em que direção.

Juntos, os dois conjuntos de instrumentos pintam um quadro dos campos eletromagnéticos considerados responsáveis ​​pelo aquecimento, bem como as partículas solares recém-aquecidas girando através da corona. A chave para seu sucesso são as medições de alta resolução, capaz de resolver as interações entre ondas e partículas em meras frações de segundo.

A Parker Solar Probe sobrevoará 3,9 milhões de milhas da superfície do Sol - e embora esta distância possa parecer grande, a espaçonave está bem posicionada para detectar assinaturas de aquecimento coronal. "Mesmo que os eventos de reconexão magnética ocorram mais abaixo perto da superfície do Sol, a espaçonave verá o plasma logo após eles ocorrerem, "disse o cientista solar de Goddard, Nicholeen Viall." Temos a chance de colocar nosso termômetro bem na coroa e observar o aumento da temperatura. Compare isso com o estudo de plasma que foi aquecido há quatro dias na Terra, onde muitas das estruturas 3-D e informações sensíveis ao tempo são apagadas. "

Esta parte da coroa é um território inteiramente inexplorado, e os cientistas esperam visões diferentes de tudo o que já viram antes. Alguns acham que o plasma lá será fino e tênue, como nuvens cirros. Ou talvez apareça como enormes estruturas semelhantes a limpadores de cachimbo irradiando do sol.

"Tenho certeza de que, quando recebermos a primeira rodada de dados de volta, veremos que o vento solar em altitudes mais baixas perto do Sol é pontiagudo e impulsivo, "disse Stuart Bale, Universidade da Califórnia, Berkeley, astrofísico e investigador principal do FIELDS. "Eu apostaria meu dinheiro no fato de os dados serem muito mais interessantes do que os que vemos perto da Terra."

Os dados são complicados o suficiente - e vêm de vários instrumentos - que levará algum tempo para os cientistas encontrarem uma explicação para o aquecimento coronal. E porque a superfície do Sol não é lisa e varia ao longo, A Parker Solar Probe precisa fazer várias passagens sobre o Sol para contar a história toda. Mas os cientistas estão confiantes de que ele possui as ferramentas para responder às suas perguntas.

A ideia básica é que cada mecanismo proposto para aquecimento tem sua própria assinatura distinta. Se as ondas de Alfvén são a fonte do calor extremo da corona, FIELDS detectará sua atividade. Uma vez que os íons mais pesados ​​são aquecidos em taxas diferentes, parece que diferentes classes de partículas interagem com essas ondas de maneiras específicas; O SWEAP caracterizará suas interações únicas.

Se nanoflares forem os responsáveis, os cientistas esperam ver jatos de partículas aceleradas disparando em direções opostas - um sinal revelador de reconexão magnética explosiva. Onde ocorre a reconexão magnética, eles também devem detectar pontos quentes onde os campos magnéticos estão mudando rapidamente e aquecendo o plasma circundante.

Descobertas estão por vir

Há uma ansiedade e entusiasmo zumbindo entre os cientistas solares:a missão da Parker Solar Probe marca um momento divisor de águas na história da astrofísica, e eles têm uma chance real de desvendar os mistérios que têm confundido seu campo por quase 150 anos.

Ao juntar as peças do funcionamento interno da coroa, os cientistas chegarão a uma compreensão mais profunda da dinâmica que desencadeia eventos climáticos espaciais, moldar as condições no espaço próximo à Terra. Mas as aplicações desta ciência vão além do sistema solar também. O Sol abre uma janela para a compreensão de outras estrelas - especialmente aquelas que também exibem aquecimento semelhante ao do Sol - estrelas que poderiam potencialmente promover ambientes habitáveis, mas estão muito longe para estudar. E iluminar a física fundamental dos plasmas provavelmente poderia ensinar aos cientistas muito sobre como os plasmas se comportam em outras partes do universo, como em aglomerados de galáxias ou em torno de buracos negros.

Também é inteiramente possível que ainda não tenhamos concebido as maiores descobertas que virão. É difícil prever como a solução do aquecimento coronal mudará nossa compreensão do espaço ao nosso redor, mas descobertas fundamentais como essa têm a capacidade de mudar a ciência e a tecnologia para sempre. A jornada da Parker Solar Probe leva a curiosidade humana a uma região nunca antes vista do sistema solar, onde cada observação é uma descoberta potencial.

"Tenho quase certeza de que descobriremos novos fenômenos sobre os quais não sabemos nada agora, e isso é muito empolgante para nós, "Raouafi disse." A Parker Solar Probe fará história ao nos ajudar a entender o aquecimento coronal - bem como a aceleração do vento solar e as partículas energéticas solares - mas acho que também tem o potencial de direcionar o futuro da física solar. "