NEW HORIZONS PREENCHE LACUNA NAS OBSERVAÇÕES DO AMBIENTE ESPACIAL
8 de abril de 2016
Os dados do ambiente espacial recolhidos pela New Horizons durante quase dois mil milhões de quilómetros da sua viagem até Plutão irão desempenhar um papel fundamental no teste e aperfeiçoamento dos modelos do ambiente espacial por todo o Sistema Solar. Esta visualização é um exemplo de um tal modelo: mostra o ambiente espacial simulado até Plutão poucos meses antes da maior aproximação da New Horizons. No modelo encontra-se o percurso da New Horizons até 2015, bem como a direção atual das duas sondas Voyager - atualmente a três ou quatro vezes a distância da New Horizons ao Sol. O vento solar que a New Horizons encontrou alcançará a Voyager cerca de um ano depois.
Crédito: Estúdio de Visualização Científica do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, SWRC (Space Weather Research Center) e CCMC (Community-Coordinated Modeling Center), Enlil e Dusan Odstrcil (GMU)
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Quando a sonda New Horizons da NASA passou por Plutão no dia 14 de julho de 2015, captou as melhores imagens de sempre da superfície desse mundo rochoso, fornecendo novas informações sobre a sua geologia, composição e atmosfera. Estas imagens espetaculares são os resultados mais famosos da New Horizons, mas a sonda também enviou mais de três anos de dados de medições do vento solar - o fluxo constante de partículas solares que o Sol lança para o espaço - de uma região que foi apenas visitada por poucas missões.
Este conjunto de observações sem precedentes dá-nos um vislumbre de uma parte praticamente inexplorada do nosso ambiente espacial - preenchendo uma lacuna crucial entre o que as outras missões vêm mais perto do Sol e o que a Voyager vê mais longe. Um novo estudo, que aparecerá no Suplemento da The Astrophysical Journal, expõe observações dos iões do vento solar que a New Horizons encontrou na sua viagem.
Não só os dados da New Horizons fornecem novos vislumbres do ambiente espacial no Sistema Solar exterior, como esta informação também complementa o nosso cada vez maior conhecimento da influência do Sol no espaço, desde os efeitos próximos da Terra até à fronteira onde o vento solar encontra o espaço interestelar. Os novos dados mostram partículas no vento solar que "apanharam" uma explosão inicial de energia, um impulso de aceleração que as chutou para velocidades superiores à sua velocidade original. Estas partículas podem ser as sementes de partículas extremamente energéticas chamadas raios cósmicos anómalos. Quando estes raios energéticos e super-velozes viajam mais perto da Terra, podem representar um risco de radiação para astronautas. Mais longe, a energias mais baixas, pensa-se que os raios desempenhem um papel na formação da fronteira onde o vento solar atinge o espaço interestelar - a região do nosso Sistema Solar onde a Voyager 2 está atualmente a navegar e a observar.
Estudando o vento solar
Embora o espaço seja mil vezes mais vazio do que até nos melhores vácuos nos laboratórios da Terra, não está completamente desprovido de matéria - o fluxo constante do vento do Sol preenche o espaço com partículas, campos e gás ionizado conhecido como plasma. Este vento solar, juntamente com outros eventos solares - como explosões gigantes chamadas ejeções de massa coronal - influenciam a própria natureza do espaço e podem interagir com os sistemas magnéticos da Terra e de outros mundos. Estes efeitos podem mudar o ambiente de radiação através do qual uma nave espacial - e, quem sabe, uma tripulação humana com destino Marte - viaja.
A New Horizons mediu este ambiente espacial durante aproximadamente 2 mil milhões de quilómetros da sua viagem, desde para lá da órbita de Úrano até ao seu encontro com Plutão.
"O instrumento só estava programado para se ligar durante diagnósticos anuais depois da passagem por Júpiter em 2007," afirma Heather Elliott, cientista espacial do SwRI (Southwest Research Institute) em San Antonio, no estado americano do Texas e coautora do estudo. "Nós criámos um plano para manter os instrumentos de partículas ligados durante a fase de cruzeiro enquanto o resto da sonda hibernava e começámos as observações em 2012."
Este plano forneceu três anos de observações praticamente contínuas do ambiente espacial numa região do espaço onde apenas um punhado de sondas já tinham estado, muito menos capturado medições detalhadas.
"Esta região tem milhares de milhões de quilómetros cúbicos, e só um punhado de missões passaram por aqui a mais ou menos cada década," afirma Eric Christian, cientista espacial do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland, EUA, que estuda a chamada heliosfera - a região do nosso Sistema Solar dominada pelo vento solar - mas que não esteve envolvido com este estudo. "Nós aprendemos mais com cada uma."
Dado que o Sol é a fonte do vento solar, os eventos solares são a principal força que molda o ambiente espacial. Os choques no vento solar - que podem criar o ambiente espacial, como auroras, em mundos magnéticos - são criados ou por nuvens densas e rápidas de material chamadas ejeções de massa coronal (ou EMCs), ou pela colisão de duas correntes de vento solar com velocidades diferentes. Estas características individuais são discerníveis no Sistema Solar interior - mas a New Horizons não viu o mesmo nível de detalhe.
Os dados da New Horizons mostram que o ambiente espacial no Sistema Solar exterior tem uma estrutura menos detalhada que no espaço mais perto da Terra, já que as estruturas mais pequenas tendem a desgastar-se ou a agrupar-se enquanto viajam para o exterior, criando menos - mas maiores - características.
"A esta distância, o tamanho das estruturas discerníveis aumenta, uma vez que as estruturas menores são desgastadas ou fundem-se," afirma Elliott. "É difícil prever se a interação entre as estruturas mais pequenas cria uma estrutura maior."
Os sinais mais subtis da influência do Sol são também mais difíceis de avistar no Sistema Solar exterior. As características do vento solar - incluindo a velocidade, densidade e temperatura - são moldadas pela região do Sol de onde são originárias. À medida que o Sol e as suas várias regiões produtoras de vento solar giram, formam-se padrões. A New Horizons não viu padrões tão definidos quanto aqueles mais próximos do Sol mas, no entanto, ainda conseguiu detetar alguma estrutura.
"A velocidade e a densidade atingem um valor médio quando o vento solar se desloca para fora," explica Elliott. "Mas o vento ainda está sendo aquecido pela compressão enquanto viaja, por isso podemos ver, na temperatura, o padrão de rotação do Sol, mesmo no Sistema Solar exterior."
Descobrindo as origens dos perigos da radiação espacial
As observações da New Horizons também mostram o que podem ser as sementes de partículas extremamente energéticas que constituem os raios cósmicos anómalos. Os raios cósmicos anómalos são observados perto da Terra e podem constituir um perigo de radiação para os astronautas, pelo que os cientistas querem entender melhor a sua causa.
As sementes destas partículas energéticas e super-rápidas podem também ajudar a moldar a fronteira onde o vento solar encontra o espaço interestelar. Os raios cósmicos anómalos foram observados pelas duas Voyager perto destes limites, mas só nos seus estágios finais, deixando dúvidas quanto à localização exata e quanto ao mecanismo das suas origens.
"As Voyager não conseguem medir as sementes destas partículas, apenas o resultado final," afirma Christian. "Assim que com a New Horizons a dirigir-se para esta região, esta lacuna nas observações está a ser preenchida com os dados."
O preenchimento desta lacuna no nosso conhecimento também vai ajudar os cientistas a melhor compreender o modo como tais partículas se movem e afetam o ambiente espacial em seu redor, ajudando a interpretar o que a Voyager vê na sua viagem.
Comparando a New Horizons com observações e modelos
Dado que a New Horizons é uma das poucas naves espaciais que explora o ambiente espacial no Sistema Solar exterior, a falta de dados corroborantes significava que uma parte fundamental do trabalho de Elliott era simplesmente a calibração dos dados.
Ela calibrou as observações com informação da orientação da New Horizons, os resultados de testes extensivos na versão laboratorial do instrumento, e com a comparação de dados do Sistema Solar interior. As missões ACE (Advanced Composition Explorer) e STEREO (Solar and Terrestrial Relations Observatory) da NASA, por exemplo, observam o ambiente espacial perto da órbita da Terra, permitindo com que os cientistas capturem um instantâneo dos eventos solares à medida que se deslocam para os confins do Sistema Solar. Mas dado que o ambiente espacial no Sistema Solar exterior é relativamente inexplorado, não se sabia exatamente como estes eventos se desenvolviam. A única informação anterior sobre esta região era da Voyager 2, que viajou aproximadamente pela mesma região do espaço que a New Horizons, embora cerca de um-quarto de século antes.
"Existem características semelhantes entre o que a New Horizons observou e o que a Voyager observou, mas o número de eventos é diferente," afirma Elliott. "A atividade solar era muito mais intensa quando a Voyager 2 passou por esta região."
Agora, com dois conjuntos de dados desta região, os cientistas têm ainda mais informações sobre esta área distante do espaço. Não só isso nos ajuda a melhor caracterizar o ambiente espacial, como será a chave para os cientistas testarem modelos de como o vento solar se propaga por todo o Sistema Solar. Na ausência de uma sentinela constante que mede partículas e campos magnéticos no espaço perto de Plutão, temos que contar com simulações - tal como simulações meteorológicas terrestres - para modelar o clima espacial por todo o Sistema Solar. Antes da New Horizons passar por Plutão, estes modelos eram usados para simular a estrutura do vento solar no Sistema Solar exterior. Com um conjunto de dados calibrados em mão, os cientistas podem comparar a realidade com as simulações e melhorar os modelos futuros.
Os dados do ambiente espacial recolhidos pela New Horizons durante quase dois mil milhões de quilómetros da sua viagem até Plutão irão desempenhar um papel fundamental no teste e aperfeiçoamento dos modelos do ambiente espacial por todo o Sistema Solar. Esta visualização é um exemplo de um tal modelo: mostra o ambiente espacial simulado até Plutão poucos meses antes da maior aproximação da New Horizons.
Crédito: Estúdio de Visualização Científica do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, SWRC (Space Weather Research Center) e CCMC (Community-Coordinated Modeling Center), Enlil e Dusan Odstrcil (GMU)
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A New Horizons recolheu dados do ambiente espacial quase continuamente desde o início de 2012 até ao seu "flyby" por Plutão, visto aqui neste mosaico obtido pela sonda no dia 14 de julho de 2015, lançando nova luz sobre o espaço numa parte relativamente inexplorada do Sistema Solar.
Crédito: NASA/JHUAPL/SwRI
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Esta figura mostra observações do vento solar medidas pela New Horizons entre 1 de janeiro e 25 de agosto de 2015. Esta medição das sementes das partículas dos raios cósmicos anómalos no vento solar é completamente nova nesta região do espaço e é fundamental para interpretar os dados da Voyager ainda mais longe na região da orla interestelar. Os pontos perto do topo do gráfico correspondem a partículas mais energéticas, e as cores vermelha e amarela mostram um maior número de partículas que atingem o detetor. Os instrumentos de partículas foram desligados durante certas operações da sonda e manobras de trajetória, resultando em breves lacunas nos dados.
Crédito: NASA/New Horizons/SwRI
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