Mais de 150 anos atrás, o Sol atingiu a Terra com uma nuvem massiva de partículas quentes carregadas. Esta bolha de plasma gerou uma tempestade magnética na Terra que fez com que faíscas saltassem do equipamento telegráfico e até mesmo provocou alguns incêndios. Agora chamado de Evento Carrington, depois de um dos astrônomos que o observou, uma tempestade magnética como esta pode acontecer novamente a qualquer momento, só agora afetaria mais do que telégrafos:poderia danificar ou causar interrupções em redes de telefonia sem fio, Sistemas GPS, redes elétricas alimentando equipamentos médicos que salvam vidas e muito mais.

Os satélites voltados para o Sol monitoram a luz ultravioleta (UV) do Sol para nos avisar com antecedência sobre tempestades solares, tanto os grandes que podem causar um evento semelhante ao de Carrington quanto os menores, distúrbios mais comuns que podem interromper temporariamente as comunicações. Uma peça-chave do equipamento usado nesses detectores é um minúsculo filtro de metal que bloqueia tudo, exceto o sinal UV que os pesquisadores precisam ver.

Mas por décadas, houve um grande problema:ao longo de apenas um ou dois anos, esses filtros perdem misteriosamente sua capacidade de transmitir luz ultravioleta, "turvando" e forçando os astrônomos a lançar caras missões de recalibração anuais. Essas missões envolvem o envio de um instrumento recém-calibrado ao espaço para fazer suas próprias observações independentes da luz do sol para comparação.

Uma das principais teorias é que os filtros estavam desenvolvendo uma camada de carbono, cuja fonte são os contaminantes da espaçonave, que bloqueou a entrada de luz ultravioleta. Agora, Cientistas do NIST e colaboradores do Laboratório de Física Atmosférica e Espacial (LASP) em Boulder, Colorado, encontraram a primeira evidência indicando que a carbonização não é o problema, e deve ser outra coisa, como outro possível clandestino da Terra. Os pesquisadores descrevem seu trabalho em Física Solar hoje.

"No meu conhecimento, é o primeiro quantitativo, argumento realmente sólido contra a carbonização como causa da degradação do filtro, "disse o físico do NIST Charles Tarrio.

Para que servem? Absolutamente tudo

A maior parte da luz produzida pelo Sol é visível e inclui o arco-íris de cores do vermelho (com um comprimento de onda de cerca de 750 nanômetros) ao violeta (com um comprimento de onda de cerca de 400 nm). Mas o Sol também produz luz com comprimentos de onda muito longos ou curtos para o olho humano ver. Um desses intervalos é ultravioleta extremo (EUV), estendendo-se de 100 nm até apenas 10 nm.

Apenas cerca de um décimo de um por cento da luz solar está na faixa EUV. Esse minúsculo sinal EUV é extremamente útil porque ele dispara em conjunto com as explosões solares. Essas erupções na superfície do Sol podem causar mudanças na atmosfera superior da Terra que interrompem as comunicações ou interferem nas leituras do GPS, fazendo com que seu telefone de repente pense que você está a 12 metros de sua verdadeira localização.

Os satélites que medem os sinais de EUV ajudam os cientistas a monitorar essas explosões solares. Mas os sinais EUV também dão aos cientistas um alerta de horas ou mesmo dias antes de fenômenos mais destrutivos, como ejeções de massa coronal (CMEs), o fenômeno responsável pelo evento Carrington. Futuros CMEs podem potencialmente sobrecarregar nossas linhas de energia ou aumentar a exposição à radiação para tripulantes e passageiros viajando em determinados locais.

E hoje em dia, os satélites fazem mais do que apenas nos avisar, disse o cientista pesquisador sênior do LASP Frank Eparvier, um colaborador do trabalho atual.

"Nas últimas décadas, deixamos de apenas enviar alertas de que ocorreram flares para sermos capazes de corrigir a variabilidade solar devido a flares e CMEs, "Eparvier disse." Saber em tempo real quanto o EUV solar está variando permite a execução de modelos de computador da atmosfera, que pode então produzir correções para as unidades de GPS para minimizar os impactos dessa variabilidade. "

O mistério dos filtros nublados

Dois metais são particularmente úteis para filtrar as grandes quantidades de luz visível para deixar passar aquele sinal EUV pequeno, mas importante. Filtros de alumínio transmitem luz EUV entre 17 nm e 80 nm. Filtros de zircônio transmitem luz EUV entre 6 nm e 20 nm.

Enquanto esses filtros começam suas vidas transmitindo muita luz EUV em seus respectivos intervalos, os filtros de alumínio, em particular, perdem rapidamente suas habilidades de transmissão. Um filtro pode começar permitindo 50% da luz EUV de 30 nm até o detector. Mas dentro de apenas um ano, ele transmite apenas 25% dessa luz. Dentro de cinco anos, esse número caiu para 10%.

"É um problema significativo, "Tarrio disse. Menos luz transmitida significa menos dados disponíveis - um pouco como tentar ler em uma sala mal iluminada com óculos escuros.

Os cientistas sabem há muito tempo que os depósitos de carbono podem se acumular nos instrumentos quando eles são submetidos à luz ultravioleta. As fontes de carbono nos satélites podem ser tudo, desde impressões digitais até os materiais usados ​​na construção da própria espaçonave. No caso dos filtros UV misteriosamente turvos, pesquisadores pensaram que o carbono pode ter sido depositado neles, absorvendo luz EUV que, de outra forma, teria passado.

Contudo, desde a década de 1980, astrônomos têm projetado cuidadosamente espaçonaves para serem tão livres de carbono quanto possível. E esse trabalho os ajudou com outros problemas de carbonização. Mas não ajudou com o problema do filtro EUV de alumínio. No entanto, a comunidade ainda suspeitava que a carbonização era pelo menos parcialmente responsável pela degradação.

Faça seu próprio clima espacial

Para testar isso em uma configuração controlada, Os pesquisadores e colaboradores do NIST usaram uma máquina que efetivamente os permite criar seu próprio clima espacial.

O instrumento é o Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF), um acelerador de partículas do tamanho de uma sala que usa ímãs poderosos para mover os elétrons em um círculo. O movimento gera luz EUV, que pode ser desviado por meio de espelhos especializados para impactar os alvos - neste caso, os filtros de satélite de alumínio e zircônio.

Cada filtro tinha 6 milímetros por 18 mm, menor do que um selo postal, e apenas 250 nm de espessura, cerca de 400 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Os filtros de amostra eram um pouco mais grossos do que os filtros de satélite reais, com outras pequenas alterações projetadas para evitar que o feixe SURF literalmente queime buracos nos metais. Durante uma corrida, a parte de trás de cada filtro foi exposta a uma fonte controlada de carbono.

Para acelerar o processo de teste, a equipe explodiu os filtros com o equivalente a cinco anos de clima espacial em apenas uma ou duas horas. Aliás, obter esse tipo de poder de feixe não foi moleza para SURF.

"Baixamos o SURF para cerca de meio por cento de sua potência normal para expor os filtros a uma quantidade razoável de luz, "Disse Tarrio." Os satélites estão a 92 milhões de milhas de distância do Sol, e o Sol não está lançando uma grande quantidade de EUV para começar. "

Finalmente, após exposição, os pesquisadores testaram cada filtro para ver quanta luz EUV na faixa de comprimento de onda correta era capaz de passar.

A equipe descobriu que a transmissão não era significativamente diferente após a exposição versus antes da exposição, tanto para o alumínio quanto para o zircônio. Na verdade, a diferença na transmissão foi apenas uma fração de um por cento, nem de perto o suficiente para explicar o tipo de nebulosidade que ocorre nos satélites espaciais reais.

“Estávamos buscando uma redução de 30% na transmissão, "Tarrio disse." E nós simplesmente não vimos. "

Como um teste extra, os cientistas deram aos filtros doses ainda maiores de luz - o equivalente a 50 anos de radiação ultravioleta. E mesmo isso não produziu muito problema de transmissão de luz, crescendo apenas 3 nm de carbono nos filtros - 10 vezes menos do que os pesquisadores esperariam se o carbono fosse o responsável.

Então, se não for carbono ...

O verdadeiro culpado ainda não foi identificado, mas os pesquisadores já têm um suspeito diferente em mente:água.

Como a maioria dos metais, o alumínio naturalmente tem uma fina camada em sua superfície de um material chamado óxido, que se forma quando o alumínio se liga ao oxigênio. Tudo, desde papel alumínio a latas de refrigerante, tem essa camada de óxido, que é quimicamente idêntico à safira.

No mecanismo proposto, a luz EUV puxaria átomos de alumínio para fora do filtro e os depositaria no exterior do filtro, que já tem aquela fina camada de óxido. Os átomos expostos reagiriam então com o oxigênio na água da Terra que pegou uma carona na espaçonave. Juntos, o alumínio exposto e a água reagiriam para formar uma camada de óxido muito mais espessa, que teoricamente poderia estar absorvendo a luz.

Outros experimentos SURF programados para o final deste ano devem responder à questão de saber se o problema realmente é a água, ou outra coisa. “Esta seria a primeira vez que as pessoas olhariam para a deposição de óxido de alumínio neste contexto, "Tarrio disse." Estamos examinando isso como uma possibilidade séria. "

- Relatado e escrito por Jennifer Lauren Lee