IBEX TRAÇA 11 ANOS DE MUDANÇAS NOS LIMITES DO SISTEMA SOLAR 16 de junho de 2020
Impressão de artista da nossa heliosfera, a bolha cósmica que rodeia o nosso Sol e Sistema Solar. À medida que a heliosfera "varre" o espaço interestelar, forma-se uma frente de choque, parecida à onda na parte da frente de um barco que navega pelo mar. Os arredores cósmicos da nossa heliosfera (esquerda) são conhecidos como o Fluff Local, uma nuvem de gases superquentes. Onde o vento solar encontra o Fluff Local, chamamos heliopausa. Logo dentro situa-se uma região turbulenta de nome heliobainha. Também presentes na ilustração, as duas sondas Voyager com os seus percursos aproximados para lá da heliosfera. A Voyager 1 foi dirigida para norte do plano das órbitas dos planetas quando passou por Saturno em 1980. A Voyager 2 foi dirigida para baixo por Neptuno e viaja para sul do plano dos planetas.
Crédito: Walt Feimer, NASA/Goddard
Bem para lá das órbitas dos planetas encontram-se os contornos nublados da bolha magnética no espaço que chamamos lar.
Esta é a heliosfera, a vasta bolha que é gerada pelo campo magnético do Sol e que envolve todos os planetas. As fronteiras desta bolha cósmica não são fixas. Em resposta aos suspiros do Sol, encolhem e esticam-se ao longo dos anos.
Agora, pela primeira vez, os cientistas usaram um ciclo solar inteiro de dados da missão IBEX da NASA para estudar como a heliosfera muda com o tempo. Os ciclos solares duram aproximadamente 11 anos, à medida que o Sol oscila entre estações de alta e baixa atividade, e de volta a alta novamente. Com o longo histórico do IBEX, os cientistas estavam ansiosos de examinar como as mudanças de humor do Sol eram reproduzidas nos limites da heliosfera. Os resultados mostram a mudança da heliosfera externa em grande detalhe, esboçam habilmente a forma da heliosfera (uma questão de debate nos últimos anos) e sugerem processos por trás de uma das suas características mais intrigantes. Estas descobertas, juntamente com um conjunto de dados recém-ajustado, foram publicadas dia 10 de junho na revista The Astrophysical Journal Supplements.
IBEX, abreviação para "Interstellar Boundary Explorer", observa o limite do espaço interestelar há mais de 11 anos, mostrando-nos onde a nossa vizinhança cósmica se encaixa no resto da Galáxia.
"É uma missão muito pequena," disse David McComas, investigador principal da IBEX na Universidade de Princeton em Nova Jersey, EUA. A nave IBEX tem o tamanho do pneu de um autocarro. "Tem sido um enorme sucesso, durante muito mais tempo do que se esperava. Temos sorte de agora ter um ciclo solar inteiro de observações."
Mapeando a fronteira do Sistema Solar, uma partícula de cada vez
A heliosfera é preenchida pelo vento solar, o fluxo constante de partículas carregadas do Sol. O vento solar é expelido em todas as direções, a cerca de 400 km/s, até atingir o meio interestelar, ventos de outras estrelas que preenchem o espaço entre elas.
À medida que o Sol atravessa o meio interestelar, gera uma onda quente e densa, semelhante à onda na frente de um barco que navega no mar. O nosso bairro cósmico é chamado "Fluff Local", a nuvem de gases superquentes que floresce em nosso redor. Onde o vento solar e o Fluff Local se encontram, forma a orla da heliosfera, chamada heliopausa. Logo dentro, existe uma região turbulenta chamada heliobainha.
Partículas chamadas átomos neutros energéticos, ou ANEs, formadas nesta região distante do espaço, são o foco das pesquisas do IBEX. São criadas quando partículas carregadas e quentes, como as do vento solar, colidem com partículas neutras frias, como as que fluem do espaço interestelar. As velozes partículas do vento solar podem roubar eletrões de átomos interestelares mais lentos, tornando-se neutras.
A viagem destas partículas começa muito antes da deteção pelo IBEX. Depois dos planetas, depois da cintura de asteroides e da Cintura de Kuiper, até chegar à fronteira da heliosfera, uma "rajada" de vento solar demora um ano para percorrer 100 vezes a distância entre a Terra e o Sol. Ao longo do caminho, o vento solar capta átomos ionizados de gases interestelares que se infiltraram na heliosfera. O vento solar que alcança a orla não é o mesmo vento que deixou o Sol um ano antes.
As partículas do vento solar podem passar mais seis meses percorrendo o caos da heliobainha, o golfo entre as duas fronteiras externas de heliosfera. Inevitavelmente, algumas colidem com os gases interestelares e tornam-se neutras energéticas. Estas partículas neutras demoram quase outro ano para a viagem de regresso, atravessando o espaço desde a borda da heliosfera até alcançar a IBEX - caso as partículas viajem na direção certa. De todas as partículas neutras formadas, somente algumas chegam à IBEX. A viagem das partículas mais energéticas na faixa de observações da IBEX demora dois a três anos, até mais tempo para energias mais baixas ou a partir de regiões mais distantes.
A nave IBEX aproveita o facto de que átomos neutros como estes não são desviados pelo campo magnético do Sol: as partículas neutras frescas afastam-se de colisões quase numa linha reta.
A IBEX examina os céus em busca de partículas, observando a sua direção e energia. A sonda deteta apenas uma a cada segundo. O resultado é um mapa da fronteira interestelar, criado a partir do mesmo princípio que um morcego usa para ecolocalizar o seu caminho durante a noite: monitoriza um sinal recebido para aprender mais sobre o seu ambiente. Estudando de onde vêm as partículas neutras, e quando, a missão IBEX pode traçar os limites remotos da nossa heliosfera.
"Temos a sorte de observar isto de dentro da heliosfera," disse Justyna Sokol, cientista visitante que faz parte da equipa de Princeton. "Estes são processos que ocorrem a distâncias muito pequenas. Quando observamos outras estrelas que estão muito distantes, observamos a distâncias de anos-luz, de fora das suas astrosferas." Até a distância entre o Sol e o nariz da heliosfera é pequena quando comparada com muitos, muitos anos-luz.
Usando os mais de 11 anos de dados da IBEX, McComas e a sua equipa puderam estudar mudanças que evoluem ao longo do tempo e que são fundamentais para entender o nosso lugar no espaço.
O vento solar é constante, mas o vento não é estável. Quando o vento "sopra", a heliosfera incha como um balão, e surgem partículas neutras nos limites externos. Quando o vento acalma, o balão contrai; as partículas neutras diminuem. O balancé resultante de partículas neutras, relataram os cientistas, ecoou consistentemente dois a três anos após as mudanças no vento - refletindo a sua viagem até à orla deste balão e para trás.
"Demora muitos anos para estes efeitos alcançarem os limites da heliosfera," disse James Szalay, outro membro da equipa de Princeton. "Termos agora tantos dados da IBEX permite-nos, finalmente, fazer estas correlações de longo prazo."
Moldando a heliosfera
De 2009 a 2014, o vento soprou bastante baixo e constante, uma brisa suave. A heliosfera contraiu. Surgiu então uma surpresa no vento solar, como se o Sol soltasse um grande suspiro. No final de 2014, a sonda da NASA em órbita da Terra detetou o aumento de 50% da pressão do vento solar (desde então permaneceu alta durante vários anos).
Dois anos depois, o forte vento solar levou a uma enxurrada de partículas neutras na heliobainha. Outros dois anos depois, preencheram a maior parte do nariz da heliosfera. Eventualmente, alcançaram os polos norte e sul da heliosfera.
Estas mudanças não foram simétricas. Cada "solavanco" observado traçou as peculiaridades da forma da heliosfera. Os cientistas ficaram surpresos ao ver claramente a onda de vento solar empurrando a heliopausa.
"O tempo e as partículas neutras realmente pintaram, para nós, as distâncias na forma da heliosfera," explicou McComas.
A IBEX ainda não observou os efeitos deste soco cósmico no limite da heliosfera, a heliocauda. Isto significa que o final da cauda está muito mais distante do Sol do que o da frente; estas partículas estão numa viagem muito mais longa. Talvez o vento solar ainda esteja a aproximar-se da cauda, ou talvez as partículas neutras já estejam no caminho de volta. Nos próximos anos, a equipa do IBEX estará atenta a sinais do seu regresso da cauda.
"A natureza 'montou' esta experiência perfeita para melhor entendermos esta fronteira," disse Szalay. "Temos que ver o que acontece quando esta grande coisa - o impulso do vento solar - muda."
No geral, isto mostra uma imagem da heliosfera parecida à forma de um cometa. A forma da heliosfera tem sido motivo de debate nos últimos anos. Alguns argumentaram que a nossa bolha no espaço é esférica como um globo; outros sugeriram que era mais parecida com um croissant. Mas neste estudo, disse McComas, os dados do IBEX mostram claramente que a resposta da heliosfera ao impulso do vento solar foi assimétrica - portanto, a própria heliosfera também deve ser assimétrica. O Sol está situado perto da frente e, à medida que o Sol se move pelo espaço, a heliocauda segue muito mais atrás, algo como a cauda de um cometa.
Enfrentando o maior quebra-cabeças do IBEX
Os muitos anos de dados do IBEX também aproximaram os cientistas da explicação de uma das características mais intrigantes da heliosfera, conhecida como a faixa IBEX. A faixa permanece como uma das maiores descobertas do IBEX. Anunciada em 2009, refere-se a uma vasta região diagonal de partículas neutras energéticas, pintada na frente da heliosfera. Há muito que intriga os cientistas: por que razão é que qualquer parte da fronteira deve ser tão diferente do resto?
Com o tempo, a IBEX indicou que o que forma a faixa é muito diferente do que forma o resto do céu interestelar. É moldada pela direção do campo magnético interestelar. Mas como são produzidas as partículas da faixa? Agora, os cientistas relatam que é muito provável que um processo secundário seja o responsável, fazendo com que a jornada de um certo grupo de partículas neutras energéticas mais ou menos duplique.
Depois de se tornarem partículas neutras energéticas, em vez de ricochetearem de volta para a espaçonave IBEX, este grupo de partículas corre na direção oposta, atravessa a heliopausa e entra no espaço interestelar. Aí, provam o "sabor" do Fluff Local, viajando até que algumas colidem inevitavelmente com partículas carregadas viajantes, perdendo um eletrão novamente e ficando amarradas ao campo magnético circundante.
Após mais ou menos dois anos, as partículas carregadas podem colidir novamente com homólogas mais lentas, roubando eletrões como o fizeram antes. Depois desta breve migração para lá da heliosfera, as partículas neutras "nascidas duas vezes" podem eventualmente voltar a entrar, regressando a casa.
Os dados da missão IBEX ajudaram os cientistas a ligar a faixa ao longo percurso interestelar das partículas. As partículas que formam a faixa viajaram cerca de dois anos e meio mais do que o resto das partículas neutras observadas. No que diz respeito ao pico do vento solar, a faixa levou mais dois anos, depois do resto da heliosfera, a começar a responder.
Excedendo em muito a sua missão inicial de dois anos, a sonda IBEX receberá em breve companhia de outra missão da NASA, a IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) na qual McComas também é investigador principal. A missão tem lançamento previsto para final de 2024.
"A sonda IMAP é uma oportunidade perfeita para estudar, com grande resolução e sensibilidade, o que a IBEX começou a mostrar-nos, para que possamos realmente obter uma compreensão detalhada da física na fronteira do Sistema Solar," concluiu McComas.
À medida que o Sol viaja pelo meio interestelar, cria uma onda densa e quente como a da parte da frente de um barco que navega pelo mar. Nesta ilustração, é a fronteira a azul escuro. A IBEX ajudou os cientistas a determinar a forma da heliosfera, que tem uma cauda parecida à de um cometa.
Crédito: NASA
A faixa permanece uma das maiores descobertas da missão IBEX. Refere-se a uma vasta região diagonal de partículas neutras energéticas, pintada na frente da heliosfera.
Crédito: NASA/IBEX
