Mesmo nas regiões aparentemente mais tranquilas do Sol, o campo magnético está longe de ser simples. Observações realizadas acima de grande parte da atmosfera terrestre revelaram uma rede de estruturas magnéticas extremamente finas escondidas na cromosfera, uma camada da atmosfera solar localizada acima da superfície visível.
Algumas dessas estruturas apresentam até mesmo polaridade magnética oposta ao campo que as envolve.
Simulações indicam que elas podem estar associadas a campos magnéticos torcidos pela movimentação do plasma na superfície solar. E isso levanta uma possibilidade especialmente interessante: essas pequenas estruturas podem criar condições favoráveis à reconexão magnética, processo capaz de converter energia magnética em calor.
A descoberta foi realizada pelo Sunrise-III, um observatório solar levado à estratosfera por um enorme balão. Os resultados fazem parte de uma série de trabalhos publicados no The Astrophysical Journal Letters com dados coletados durante o voo realizado em 2024.
Quando pensamos em magnetismo solar, é comum lembrar das manchas solares, das erupções e das grandes regiões ativas. Mas essas regiões ocupam apenas uma pequena parcela do Sol.
Grande parte da superfície é formada pelo chamado Sol calmo, onde não encontramos grandes manchas ou a intensa atividade característica das regiões ativas.
Isso não significa ausência de campos magnéticos.
A fotosfera dessas regiões está repleta de pequenas concentrações de campo magnético. E conforme esses campos se estendem para cima, em direção à cromosfera, eles se expandem e formam uma estrutura conhecida como cobertura magnética, ou magnetic canopy.
A imagem mais simples seria a de campos concentrados em pequenas regiões da superfície que vão se abrindo à medida que sobem, formando algo semelhante a uma cobertura acima das regiões onde os campos são mais fracos.
As novas observações mostram que a realidade é muito mais complicada. Medir campos magnéticos tão fracos é extremamente difícil. Telescópios instalados no solo precisam observar através da atmosfera terrestre.
A turbulência do ar distorce continuamente a imagem do Sol e dificulta medições extremamente delicadas de estruturas pequenas. O Sunrise-III utiliza uma solução diferente. Em vez de permanecer no solo ou ser colocado em órbita, seu telescópio de 1 metro de abertura é transportado por um balão até a estratosfera.
Durante o voo de 2024, o observatório permaneceu a aproximadamente 35 quilômetros de altitude, acima da maior parte da atmosfera terrestre.
Nessas condições, o telescópio consegue observar o Sol praticamente sem as distorções atmosféricas enfrentadas pelos observatórios terrestres.
O voo científico de 2024 proporcionou cerca de 6,5 dias de observações.
A bordo estavam três instrumentos científicos.
Um deles era particularmente importante para essa investigação: o SCIP, espectropolarímetro infravermelho da cromosfera do Sunrise, desenvolvido sob liderança japonesa.
O instrumento mede com altíssima precisão a polarização da luz em diferentes linhas espectrais.
É a partir dessas pequenas alterações na polarização que os pesquisadores conseguem reconstruir propriedades do campo magnético solar.
Uma das grandes vantagens do SCIP é conseguir observar simultaneamente diferentes linhas espectrais formadas em diferentes alturas da atmosfera solar.
Isso permitiu acompanhar o campo magnético desde a fotosfera até a cromosfera.
Em uma das observações, o instrumento analisou uma região de Sol calmo próxima ao centro do disco solar.
A área estudada cobria aproximadamente 58 por 58 segundos de arco.
O SCIP realizou a varredura durante 107 minutos praticamente sem interrupção, alcançando uma precisão polarimétrica de aproximadamente 0,03% a 0,04% da intensidade do contínuo.
Foi essa combinação de estabilidade e precisão que permitiu enxergar algo inesperado.
Na fotosfera, os pesquisadores encontraram as concentrações de campo magnético esperadas.
Na cromosfera, esses campos se espalhavam sobre uma região muito maior, formando a cobertura magnética.
Mas dentro dela surgiram numerosas estruturas finas e alongadas.
Elas pareciam fios magnéticos atravessando a cobertura.
Essas estruturas aparecem principalmente acima das regiões chamadas de internetwork, localizadas entre as concentrações magnéticas mais fortes da rede solar.
E existe outro detalhe intrigante.
Não havia uma estrutura magnética óbvia na fotosfera diretamente abaixo de muitos desses filamentos que pudesse simplesmente explicar sua existência.
Isso já indicava que a cobertura cromosférica não poderia ser explicada apenas como um conjunto de campos magnéticos que se expande suavemente a partir das concentrações existentes na superfície.
Os filamentos são extremamente estreitos.
Normalmente apresentam larguras inferiores a 1 segundo de arco.
Para comparação, visto da Terra, o disco inteiro do Sol possui aproximadamente 1.900 segundos de arco de diâmetro.
As medições também mostraram que o componente do campo magnético ao longo da linha de visada nessas estruturas é normalmente cerca de 10 a 20 gauss mais fraco do que no campo da cobertura que as envolve.
Mas alguns casos chamaram ainda mais atenção.
Neles, a direção do campo magnético era invertida.
Enquanto a cobertura apresentava uma polaridade, o pequeno filamento apresentava polaridade oposta.
Isso significa que a geometria magnética da cromosfera do Sol calmo é muito mais intrincada do que uma cobertura formada simplesmente pela expansão uniforme dos campos vindos da fotosfera.
As observações revelaram as estruturas.
O passo seguinte foi tentar entender como elas poderiam se formar.
Para isso, outro grupo utilizou uma simulação magnetohidrodinâmica realizada com uma versão do código MURaM capaz de representar a cromosfera.
A simulação conseguiu produzir estruturas alongadas muito semelhantes às observadas pelo Sunrise-III.
Quando os pesquisadores analisaram tridimensionalmente o campo magnético simulado, encontraram a possível origem.
Os filamentos de polaridade oposta estavam associados a estruturas de fluxo magnético torcido.
Movimentos do plasma na superfície solar podem girar e deformar as linhas do campo magnético.
Em vez de simplesmente subir e se expandir, algumas linhas acabam adquirindo uma geometria torcida.
Quando observamos apenas uma componente desse campo, determinadas partes dessa estrutura podem aparecer com polaridade oposta à cobertura ao redor.
As simulações, portanto, fornecem uma explicação física possível para aquilo que o Sunrise-III observou.
É justamente aqui que a descoberta se conecta a um dos grandes problemas da física solar.
A superfície visível do Sol possui temperatura de aproximadamente 5.800 kelvin.
Acima dela, entretanto, a atmosfera solar apresenta um comportamento aparentemente contraintuitivo.
Depois de inicialmente diminuir, a temperatura volta a subir e chega a milhões de kelvin na coroa.
Como a energia necessária para manter essas camadas tão quentes é transportada e dissipada continua sendo uma questão central da física solar.
Os campos magnéticos desempenham um papel fundamental nessa história.
E as novas estruturas encontradas pelo Sunrise-III apresentam uma característica potencialmente importante.
Algumas possuem polaridade oposta ao campo magnético ao redor.
Isso pode criar regiões favoráveis à reconexão magnética.
Nesse processo, campos magnéticos com orientações diferentes reorganizam sua configuração e parte da energia magnética pode ser convertida em movimento das partículas e energia térmica.
Portanto, essas pequenas estruturas podem representar locais onde parte da energia magnética é dissipada na cromosfera.
Mas existe uma distinção importante.
O Sunrise-III não demonstrou que esses filamentos são responsáveis pelo aquecimento da cromosfera ou da coroa.
O que as observações e simulações mostram é que a geometria encontrada cria condições nas quais a reconexão magnética pode ocorrer.
Isso fornece uma nova pista para investigar o mecanismo de aquecimento.
O Sunrise-III também investigou outra estrutura importante da atmosfera solar.
Nas bordas do Sol aparecem constantemente pequenos jatos de plasma conhecidos como espículas.
Elas se projetam da cromosfera e podem alcançar milhares de quilômetros de altura.
As espículas são extremamente numerosas e são consideradas importantes candidatas ao transporte de massa e energia da cromosfera para regiões superiores da atmosfera solar.
Mas medir diretamente seus campos magnéticos é muito difícil.
O SCIP conseguiu fazer isso em uma região de Sol calmo próxima ao limbo, a borda aparente do disco solar. Os pesquisadores utilizaram a linha espectral do cálcio ionizado em 854,2 nanômetros para medir o componente do campo magnético ao longo da linha de visada. Até aproximadamente 2 mil quilômetros acima do limbo, foram encontrados campos chegando a cerca de 20 gauss, sem uma forte dependência da altura.
Entre aproximadamente 2 mil e 4 mil quilômetros, porém, a distribuição tornou-se mais ampla, alcançando valores próximos de 40 gauss. As observações fornecem uma das visões mais detalhadas até agora da distribuição do campo magnético associada às espículas.
Isso poderá ajudar a determinar quanta energia essas estruturas conseguem transportar para regiões superiores da atmosfera solar.
Os resultados do Sunrise-III mostram por que observar o Sol acima da maior parte da atmosfera terrestre pode revelar fenômenos difíceis de detectar do solo.
A cromosfera do Sol calmo não possui simplesmente uma cobertura magnética uniforme.
Ela contém pequenos filamentos, estruturas torcidas e regiões onde a polaridade pode ser oposta ao campo ao redor.
Ao mesmo tempo, as medições das espículas começam a revelar como seus campos magnéticos se distribuem conforme elas se estendem para cima.
São peças diferentes do mesmo problema.
A energia produzida pelos movimentos do plasma na superfície precisa atravessar a cromosfera antes de alcançar a coroa.
E o campo magnético funciona como um dos principais caminhos para esse transporte.
As novas observações mostram que esse caminho é muito mais complexo do que parecia.
Entender essa arquitetura magnética pode ajudar os pesquisadores a descobrir onde e como parte da energia magnética é transformada em calor na atmosfera do Sol.
Sobre a Imagem: Campos magnéticos na cromosfera acima de uma região de Sol calmo, observados pelo instrumento SCIP a bordo da sonda Sunrise-III (quadro à direita), e estruturas magnéticas reproduzidas por uma simulação numérica (quadro à esquerda). As finas estruturas magnéticas filiformes detectadas pelo SCIP são reproduzidas na simulação como linhas de campo magnético torcidas (vista ampliada dentro do círculo no canto inferior esquerdo).
Créditos da Imagem: NAOJ / MPS / Sunrise-III/SCIP
Artigo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae909b