A viagem ao espaço interestelar

Ilustração da sonda Voyager da NASA, realçando o seu instrumento MAG.Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/JPL/Mary Pat Hrybyk-Keith

As sondas Voyager 1 e Voyager 2 encontram-se num local que muitos nunca pensaram alcançar. Agora no espaço interestelar, estão a empurrar os limites da exploração, viajando através da vizinhança cósmica, dando-nos o nosso primeiro olhar direto do espaço para lá da nossa estrela.

Mas quando foram lançadas em 1977, a Voyager 1 a Voyager 2 tinham uma missão diferente: explorar o Sistema Solar exterior e recolher observações diretamente na fonte, dos planetas exteriores que só tínhamos visto antes com estudos remotos. Mas agora, quatro décadas após o lançamento, viajaram mais longe do que qualquer outra nave da Terra; para o mundo frio e silencioso do espaço interestelar.

Originalmente construídos para medir as propriedades dos planetas gigantes, os instrumentos de ambas as sondas passaram as últimas décadas pintando uma imagem da propagação dos eventos solares da nossa estrela-mãe. E a nova missão das Voyager foca-se não apenas nos efeitos do espaço a partir de dentro da nossa heliosfera - a bolha gigante em torno do Sol repleta de fluxos constantes de partículas solares a que chamamos vento solar - como a partir de fora. Embora já tenham ajudado a olhar mais de perto os planetas e a sua relação com o Sol, agora fornecem-nos pistas sobre a natureza do espaço interestelar enquanto continuam a sua jornada.

O ambiente que exploram é mais frio, subtil e mais ténue do que nunca, e ainda assim as Voyager continuam explorando e medindo o meio interestelar, uma miscelânea de gás, plasma e partículas das estrelas e regiões de gás que não são originárias do nosso Sistema. Três dos dez instrumentos das naves são os principais atores que estudam como o espaço dentro da heliosfera difere do espaço interestelar. A conjunção destes dados permite que os cientistas juntem a melhor imagem da fronteira da heliosfera e do meio interestelar. Aqui ficam as histórias que contam.

O Magnetómetro

Durante a primeira missão planetária das Voyagers, o instrumento MAG (Magnetometer) foi usado para investigar as magnetosferas dos planetas e das suas luas, determinando a mecânica física e os processos das interações desses campos magnéticos e do vento solar. Depois do fim dessa missão, as Voyager estudaram o campo magnético da heliosfera e além, observando o alcance magnético do Sol e as mudanças que ocorrem dentro desse alcance durante a atividade solar.

A recolha de dados magnéticos à medida que viajamos para o espaço requer um truque interessante. As Voyager giram em torno de si próprias, numa manobra de calibração que permite que as sondas diferenciem entre o seu campo magnético - que acompanha a sua rotação - e os campos magnéticos do espaço que atravessam.

A observação inicial do campo magnético para lá da influência do Sol ocorreu quando a Voyager 1 atravessou a heliopausa em 2012. Os cientistas viram que, dentro da heliosfera, a força do campo magnético era bastante variável, mudando e saltando à medida que a Voyager 1 se movia pela heliosfera. Essas mudanças devem-se à atividade solar. Mas assim que a Voyager 1 cruzou para o espaço interestelar, essa variabilidade cessou. Embora a força do campo fosse semelhante à que estava dentro da heliosfera, já não possuía a variabilidade associada com os surtos do Sol.

O gráfico 1 mostra a magnitude, ou força, do campo magnético em redor da heliopausa de janeiro de 2012 até maio de 2014. Antes de encontrar a heliopausa, marcada pela linha laranja, a força do campo magnético flutua bastante. Depois de uma difícil viagem pela heliopausa em 2012, a força magnética para de flutuar e começa a estabilizar-se em 2013, assim que a sonda percorre o suficiente para o meio interestelar.

Em novembro de 2018, a Voyager 2 também atravessou a heliopausa e, da mesma forma, teve uma viagem atribulada pela heliopausa. Os cientistas estão ansiosos por ver como a sua jornada difere da sua irmã gémea.

O Subsistema de Raios Cósmicos

Tal como o MAG, o CRS (Cosmic Ray Subsystem) foi originalmente construído para medir sistemas planetários. O CRS concentrou-se nas composições das partículas energéticas nas magnetosferas de Júpiter, Saturno, Úrano e Neptuno. Os cientistas usaram-no para estudar as partículas carregadas dentro do Sistema Solar e a sua distribuição entre os planetas. No entanto, desde que passou pelos planetas que o CRS tem vindo a estudar as partículas carregadas da heliosfera e - agora - as partículas no meio interestelar.

O CRS conta quantas partículas deteta por segundo. Fá-lo usando dois telescópios: o HET (High Energy Telescope), que mede partículas de alta energia (70 MeV) identificáveis como partículas interestelares, e o LET (Low Energy Telescope), que mede partículas de baixa energia (5 MeV) originárias do nosso Sol. Podemos pensar nestas partículas como uma bola de bowling que derruba pinos vs. uma bala que atinge os mesmos pinos - ambos provocam um impacto mensurável no detetor, mas movem-se a velocidades muito diferentes. Ao medir as quantidades dos dois tipos de partículas, as Voyager podem fornecer uma noção do ambiente espacial pelo qual estão a passar.

O gráfico 2 mostra a contagem - quantas partículas por segundo estão a interagir com o CRS, em média, todos os dias - de partículas de raios galácticos medidas pelo HET (topo) e de partículas heliosféricas medidas pelo LET (baixo). A linha vermelha mostra os dados da Voyager 1, "adiantadas" 6,32 anos a partir de 2012 para coincidir com os dados da Voyager de meados de novembro de 2018, mostrados a azul.

Os dados do CRS da Voyager 2 de dia 5 de novembro de 2018 mostram uma contagem de partículas interestelares do HET que aumenta para valores parecidos aos que a Voyager 1 viu, depois nivelando. Similarmente, o LET mostra uma séria diminuição nas partículas originárias da heliosfera. Esta foi uma evidência chave de que a Voyager 2 havia atravessado para o espaço interestelar. Os cientistas podem continuar a observar estas contagens para ver se a composição das partículas do espaço interestelar muda ao longo da viagem.

O Instrumento de Plasma

O PLS (Plasma Science Instrument) foi desenhado para medir plasma e partículas ionizadas em redor dos planetas exteriores e para medir a influência do vento solar nesses planetas. O PLS é composto por quatro copos de Faraday, um instrumento que mede o plasma à medida que passa pelos copos e calcula a velocidade, direção e densidade do plasma.

O instrumento de plasma da Voyager 1 foi danificado durante a passagem rasante por Saturno e teve que ser desligado muito antes que a Voyager 1 saísse da heliosfera, tornando-a incapaz de medir as propriedades do plasma do meio interestelar. Com o cruzamento da Voyager 2, os cientistas receberão as primeiras medições de plasma do meio interestelar.

Os cientistas previram que o plasma interestelar medido pela Voyager 2 seria maior em densidade, mas menor em temperatura e velocidades do que o plasma dentro da heliosfera. E em novembro de 2018, o instrumento viu exatamente isso pela primeira vez. Isto sugere que o plasma nesta região está a ficar cada vez mais frio e, tal como carros que desaceleram numa autoestrada, começa a acumular-se em torno da heliopausa e no meio interestelar.

E agora, graças ao PLS da Voyager 2, temos uma perspetiva nunca antes vista da nossa heliosfera: a velocidade do plasma desde a Terra até à heliopausa.

O terceiro gráfico conta uma história incrível resumindo uma viagem de 42 anos. A secção de topo mostra a velocidade do plasma, isto é, quão depressa se move pela heliosfera, contra a distância à Terra. A distância encontra-se em unidades astronómicas; uma unidade astronómica é a distância média entre o Sol e a Terra, cerca de 150 milhões de quilómetros. Para contexto, Saturno está a 10 UA da Terra, enquanto Plutão está a 40 UA.

O cruzamento da heliopausa ocorreu a 120 UA, quando a velocidade do plasma oriundo do Sol cai para zero (visto no gráfico de cima) e o fluxo do plasma para fora é desviado - visto no aumento nos dois gráficos de baixo, que mostram as velocidades para cima e para baixo (a velocidade normal, gráfico do meio) e a velocidade lateral do vento solar (velocidade tangencial, gráfico inferior) do plasma do vento solar, respetivamente. Isto significa que quando o vento solar começa a interagir com o meio interestelar, é empurrado para fora e para longe, como uma onda que bate num penhasco.

Olhando para cada instrumento isoladamente, no entanto, não conta a história completa do aspeto do espaço interestelar e da heliopausa. Juntos, estes instrumentos contam uma história da transição do espaço ativo e turbulento dentro da influência do nosso Sol para as águas relativamente calmas à beira do espaço interestelar.

O MAG mostra que a força do campo magnético diminui acentuadamente no meio interestelar. Os dados do CRS mostram um aumento nos raios cósmicos interestelares e uma diminuição nas partículas heliosféricas. E, finalmente, o PLS mostra que já não existe vento solar detetável.

Agora que as sondas Voyager estão para lá da heliosfera, a sua nova perspetiva fornecerá novas informações sobre a formação e estado do nosso Sol e como interage com o espaço interestelar, juntamente com a perceção de como outras estrelas interagem com o meio interestelar.

A Voyager 1 e a Voyager 2 estão a fornecer o nosso primeiro olhar do espaço que teremos que atravessar se a humanidade viajar para lá da nossa estrela-mãe - um vislumbre da nossa vizinhança no espaço.

Fonte: Astronomia OnLine