A superfície do Sol é uma exibição brilhante de manchas solares e erupções impulsionadas pelo campo magnético solar, que é gerado internamente através de um processo chamado ação do dínamo. Os astrofísicos presumiram que o campo solar é gerado nas profundezas da estrela. Mas um estudo do MIT descobriu que a actividade do Sol pode ser moldada por um processo muito mais superficial.



Em um artigo publicado na Nature , pesquisadores do MIT, da Universidade de Edimburgo e de outros lugares descobriram que o campo magnético do Sol pode surgir de instabilidades nas camadas mais externas do Sol.

A equipe gerou um modelo preciso da superfície do Sol e descobriu que quando simularam certas perturbações, ou mudanças no fluxo de plasma (gás ionizado) dentro dos 5-10% superiores do Sol, essas mudanças na superfície foram suficientes para gerar campos magnéticos realistas. padrões de campo, com características semelhantes às que os astrônomos observaram no sol. Em contraste, as suas simulações em camadas mais profundas produziram uma actividade solar menos realista.

As descobertas sugerem que as manchas solares e as erupções solares podem ser o produto de um campo magnético raso, em vez de um campo que se origina nas profundezas do Sol, como os cientistas em grande parte supunham.

“As características que vemos quando olhamos para o Sol, como a coroa que muitas pessoas viram durante o recente eclipse solar, as manchas solares e as erupções solares, estão todas associadas ao campo magnético do Sol”, diz o autor do estudo Keaton Burns, cientista pesquisador em Departamento de Matemática do MIT.

"Mostramos que perturbações isoladas perto da superfície do Sol, longe das camadas mais profundas, podem crescer ao longo do tempo para produzir potencialmente as estruturas magnéticas que vemos."

Se o campo magnético do Sol surgir de facto das suas camadas mais externas, isto poderá dar aos cientistas uma melhor oportunidade de prever explosões e tempestades geomagnéticas que têm o potencial de danificar satélites e sistemas de telecomunicações.

“Sabemos que o dínamo funciona como um relógio gigante com muitas peças complexas que interagem”, diz o co-autor Geoffrey Vasil, investigador da Universidade de Edimburgo. "Mas não sabemos muitas das peças ou como elas se encaixam. Esta nova ideia de como o dínamo solar começa é essencial para compreendê-lo e predizê-lo."

Os co-autores do estudo também incluem Daniel Lecoanet e Kyle Augustson da Northwestern University, Jeffrey Oishi do Bates College, Benjamin Brown e Keith Julien da Universidade do Colorado em Boulder, e Nicholas Brummell da Universidade da Califórnia em Santa Cruz.

Zona de fluxo

O sol é uma bola de plasma incandescente que ferve em sua superfície. Esta região de ebulição é chamada de “zona de convecção”, onde camadas e plumas de plasma se agitam e fluem. A zona de convecção compreende o terço superior do raio do Sol e se estende por cerca de 200.000 quilômetros abaixo da superfície.

“Uma das ideias básicas sobre como iniciar um dínamo é que você precisa de uma região onde haja muito plasma passando por outro plasma, e que o movimento de cisalhamento converta energia cinética em energia magnética”, explica Burns. "As pessoas pensavam que o campo magnético do Sol é criado pelos movimentos na parte inferior da zona de convecção."

Para determinar exatamente onde se origina o campo magnético do Sol, outros cientistas usaram grandes simulações tridimensionais para tentar resolver o fluxo de plasma através das muitas camadas do interior do Sol. “Essas simulações requerem milhões de horas em instalações nacionais de supercomputação, mas o que produzem ainda não é tão turbulento quanto o Sol real”, diz Burns.

Em vez de simular o fluxo complexo de plasma ao longo de todo o corpo do Sol, Burns e os seus colegas questionaram-se se o estudo da estabilidade do fluxo de plasma perto da superfície poderia ser suficiente para explicar as origens do processo do dínamo.

Para explorar esta ideia, a equipa utilizou primeiro dados do campo da “heliossismologia”, onde os cientistas usam vibrações observadas na superfície do Sol para determinar a estrutura média e o fluxo de plasma abaixo da superfície.

“Se você gravar um vídeo de uma bateria e observar como ela vibra em câmera lenta, poderá descobrir o formato e a rigidez da pele a partir dos modos vibracionais”, diz Burns. "Da mesma forma, podemos usar as vibrações que vemos na superfície solar para inferir a estrutura média no interior."

Cebola solar

Para o seu novo estudo, os investigadores recolheram modelos da estrutura do Sol a partir de observações heliossísmicas. “Esses fluxos médios parecem uma cebola, com diferentes camadas de plasma girando umas sobre as outras”, explica Burns. "Então perguntamos:existem perturbações, ou pequenas mudanças no fluxo de plasma, que poderíamos sobrepor a esta estrutura média, que poderia crescer para causar o campo magnético do Sol?"

Para procurar esses padrões, a equipe utilizou o Projeto Dedalus – uma estrutura numérica desenvolvida por Burns que pode simular muitos tipos de fluxos de fluidos com alta precisão. O código foi aplicado a uma ampla gama de problemas, desde a modelagem da dinâmica dentro de células individuais até circulações oceânicas e atmosféricas.

“Os meus colaboradores têm pensado no problema do magnetismo solar há anos e as capacidades do Dedalus atingiram agora o ponto em que podemos resolvê-lo”, diz Burns.

A equipe desenvolveu algoritmos que incorporaram ao Dedalus para encontrar mudanças auto-reforçadas nos fluxos médios da superfície do Sol. O algoritmo descobriu novos padrões que poderiam crescer e resultar em atividade solar realista. Em particular, a equipa encontrou padrões que correspondem às localizações e escalas de tempo das manchas solares que têm sido observadas pelos astrónomos desde Galileu em 1612.

As manchas solares são características transitórias na superfície do Sol que se acredita serem moldadas pelo campo magnético solar. Estas regiões relativamente mais frias aparecem como manchas escuras em relação ao resto da superfície incandescente do Sol. Os astrónomos observam há muito tempo que as manchas solares ocorrem num padrão cíclico, crescendo e recuando a cada 11 anos, e geralmente gravitando em torno do equador, em vez de perto dos pólos.

Nas simulações da equipa, descobriram que certas alterações no fluxo de plasma, apenas nos 5-10% superiores das camadas superficiais do Sol, foram suficientes para gerar estruturas magnéticas nas mesmas regiões. Em contraste, as mudanças nas camadas mais profundas produzem campos solares menos realistas que estão concentrados perto dos pólos, em vez de perto do equador.

A equipa ficou motivada a observar mais de perto os padrões de fluxo perto da superfície, uma vez que as condições ali se assemelhavam aos fluxos instáveis ​​de plasma em sistemas completamente diferentes:os discos de acreção em torno dos buracos negros. Os discos de acreção são discos massivos de gás e poeira estelar que giram em direção a um buraco negro, impulsionados pela “instabilidade magnetorotacional”, que gera turbulência no fluxo e faz com que ele caia para dentro.

Burns e os seus colegas suspeitaram que um fenómeno semelhante está a ocorrer no Sol, e que a instabilidade magnetorotacional nas camadas mais externas do Sol poderia ser o primeiro passo na geração do campo magnético solar.

“Acho que esse resultado pode ser controverso”, diz ele. "A maior parte da comunidade tem-se concentrado em encontrar a acção do dínamo nas profundezas do sol. Agora estamos a mostrar que existe um mecanismo diferente que parece corresponder melhor às observações."

Burns diz que a equipe continua a estudar se os novos padrões de campo de superfície podem gerar manchas solares individuais e o ciclo solar completo de 11 anos.