Cinco mistérios espaciais que o Proba-3 ajudará a resolver

O Proba-3 da ESA será a primeira missão a criar um eclipse solar total artificial ao voar um par de satélites a 150 metros de distância. Por seis horas por vez, ele será capaz de ver a tênue atmosfera do sol, a corona, na região difícil de observar entre a borda do sol e 1,4 milhão de quilômetros de sua superfície.

Esta nova tecnologia combinada com a órbita estendida exclusiva do par de satélites ao redor da Terra permitirá que o Proba-3 faça ciência importante, revelando segredos do sol, clima espacial e cinturões de radiação da Terra. 

+Proba-3 fornecerá novas visões do Sol e do clima espacial. Crédito: Agência Espacial Europeia 

Proba-3, abreviação de "Project for On-Board Autonomy 3", é a quarta de uma série de missões de demonstração em órbita que testam novas tecnologias. A precisão milimétrica com que o par de satélites se posicionará no espaço nunca foi feita antes.

Vamos mergulhar nos cinco principais mistérios da ciência espacial que esta missão investigará.

1. Por que a coroa solar é muito mais quente que o próprio sol?

Todos nós sabemos que o sol é quente, mas ainda é um mistério como o material na atmosfera externa do sol, a coroa solar, pode atingir temperaturas de milhões de graus. A superfície visível abaixo dela, chamada de fotosfera, tem apenas 4500–6000 °C.

Em vez de ser uma superfície real, a fotosfera é a camada do sol da qual a luz visível pode escapar. Abaixo dela, a luz emitida por átomos no interior quente e denso do sol é quase imediatamente reabsorvida por outros átomos. A luz pode ficar presa dentro do sol por um longo tempo antes de poder escapar da fotosfera através do gás carregado menos denso (plasma) acima.

Indo para a corona, que é menos densa e mais distante do núcleo do sol, você esperaria encontrar temperaturas mais baixas. Em vez disso, ela fica cerca de duzentas vezes mais quente!

O Proba-3 vai enfrentar esse mistério estudando a coroa solar mais perto da superfície do sol do que qualquer "coronógrafo" antes dele. Ao bloquear a luz direta do sol com uma nave espacial, a outra nave espacial será capaz de ver a tênue luz visível vinda da coroa até apenas 70.000 km acima da superfície do sol.

O coronógrafo é o principal instrumento científico do Proba-3. Ele é chamado de ASPIICS, que significa Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the sun.

Uma coisa que o ASPIICS irá caçar são ondas se movendo através dos loops e plumas de plasma na corona. Esse tipo de movimento é uma causa provável para as altas temperaturas da corona. O coronógrafo será capaz de capturar esses movimentos rápidos e em pequena escala ao gerar imagens da corona interna em intervalos de até dois segundos.

Além disso, o coronógrafo pode nos mostrar quais partes da coroa solar são mais quentes do que outras usando diferentes filtros de luz. Ao obter imagens em luz branca, o instrumento vê onde o plasma brilhante (de todas as temperaturas) está concentrado e como ele se move. Essas imagens podem ser comparadas àquelas tiradas por um filtro de luz verde, que captura seletivamente a luz emitida por partículas particularmente quentes na coroa.

2. O que acelera o vento solar?

O vento solar é o fluxo contínuo de plasma enviado pelo sol, composto principalmente de elétrons, prótons e partículas alfa . Quando o vento solar colide com o campo magnético da Terra, ele pode produzir auroras — as luzes do norte e do sul.

Assim como o vento na Terra, o vento solar pode ser rápido ou lento, suave ou rajado. Ele vem em dois tipos principais, que diferem não apenas na velocidade do vento, mas também na composição e região de origem.

O vento solar "lento" — que ainda atinge a Terra com velocidades de até 500 km/s, ou 1,8 milhões de km/h — é composto de partículas que lembram a composição da atmosfera externa do sol ou corona. Embora os detalhes permaneçam elusivos, sabe-se que esse tipo de vento solar está conectado a regiões ativas de manchas solares no sol, que também produzem erupções e flares solares.

O coronógrafo ASPIICS do Proba-3 investigará como as linhas de campo magnético torcidas e concentradas vindas das manchas solares interagem com o campo magnético mais distante. Embora não possa detectar esse campo diretamente, ele verá o plasma brilhante na corona que segue ao longo das linhas de campo magnético e perturbações nelas. Ao caçar 'manchas' de vento solar lento, ele pode rastrear como e onde o vento é empurrado para fora.

O vento solar "rápido" pode atingir velocidades de mais de dois milhões de quilômetros por hora e é composto de uma mistura de partículas mais parecida com a da superfície do sol. Esse tipo de vento é conhecido por vir de estruturas magnéticas chamadas buracos coronais — regiões onde o campo magnético do sol não retorna para o sol. O plasma pode fluir para fora ao longo dessas linhas de campo magnético "abertas", criando o vento solar.

Mas a questão permanece: como o vento solar rápido atinge velocidades tão altas? Para resolver esse mistério, o Proba-3 buscará jatos e ondas, incluindo 'switchbacks magnéticos' que se acredita darem ao vento solar um empurrão magnético. O ASPIICS revelará como o plasma se move através da corona, de bem perto da superfície do sol até cerca de 1,4 milhões de km mais longe.

3. Como o Sol expele material em ejeções de massa coronal?

O vento solar é um tipo de clima espacial, mas o que realmente precisamos observar são as tempestades solares maiores e mais poderosas. Ejeções de massa coronal (CMEs) são enormes bolhas de partículas carregadas (plasma) entrelaçadas com linhas de campo magnético. CMEs são frequentemente — mas nem sempre — lançadas ao mesmo tempo que explosões de radiação eletromagnética conhecidas como erupções solares.

Quando a Terra é atingida por uma CME, isso pode deformar o campo magnético protetor da Terra e causar uma tempestade geomagnética. Essas tempestades podem afetar satélites, interromper sistemas de navegação, causar quedas de energia e trazer auroras para latitudes mais baixas.

CMEs de movimento rápido também podem criar ondas de choque que aceleram prótons ou outras partículas ao redor do sol a velocidades extremamente altas. Essas ' partículas energéticas solares ' podem danificar naves espaciais e representar um risco para astronautas fora da atmosfera protetora da Terra.

Ao ser capaz de ver o que acontece na coroa solar muito perto da superfície do sol, o Proba-3 revelará o que acontece antes de uma CME, como elas entram em erupção, como se expandem para fora e como interagem com outras estruturas e atividades ao redor do sol. Ele verá essa parte da atmosfera do sol por horas a fio e melhor do que qualquer coronógrafo anterior.

4. Como os elétrons presos nos cinturões de radiação da Terra se comportam?

O espaço ao redor da Terra constantemente tem partículas correndo por ele, vindas do sol, atiradas para nós de outro lugar no sistema solar, ou chegando até nós do espaço interestelar. Felizmente, estamos protegidos delas pela atmosfera protetora da Terra e pelo campo magnético, mas esse mesmo campo aprisiona partículas carregadas em anéis ao redor da Terra conhecidos como cinturões de radiação de Van Allen.

Essas partículas de alta energia e movimento rápido representam riscos para dispositivos no espaço. Elas podem interromper medições e memórias a bordo, ou até mesmo causar danos permanentes, ao mesmo tempo em que representam perigo potencial para astronautas.

A órbita elíptica estendida do Proba-3 o leva de 600 km acima da superfície da Terra até 60 530 km. Isso significa que em cada órbita de 19,7 horas ele passa duas vezes pelos cinturões de radiação interno e externo que cercam nosso planeta. Existem outras missões orbitando a Terra que atravessam ambos os cinturões, mas o Proba-3 é único em cruzar uma porção anormalmente grande deles.

Com seu instrumento 3D Energetic Electron Spectrometer (3DEES), o Proba-3 medirá o número, a direção de origem e as energias dos elétrons nos cinturões de radiação da Terra. Esta é a primeira vez que a energia e os fluxos de elétrons de alta energia serão medidos ao mesmo tempo em seis direções diferentes abrangendo um campo de visão de 180°.

O 3DEES revelará o comportamento dos cinturões de radiação da Terra em condições normais, mas também verá como eles são afetados pelo clima espacial , incluindo o vento solar e as ejeções de massa coronal mencionados anteriormente . 

5. Quanto a produção de energia do sol muda ao longo do tempo?

O sol brilha todos os dias, mas alguns dias ele brilha mais do que outros. Em um ano, dependendo da distância da Terra ao sol, a irradiação solar total que chega à Terra pode variar até 6%. Mas o quanto o sol irradia também muda dependendo de quão ativo ele é, com mudanças de cerca de 0,1% ocorrendo ao longo do ciclo solar de aproximadamente 11 anos.

Ainda é uma questão de debate científico o quanto a produção de energia do sol mudou em períodos de tempo mais longos (100–1000 anos). Embora as mudanças climáticas recentes sejam certamente causadas por atividades humanas, é possível que o sol tenha tido um papel a desempenhar em mudanças climáticas passadas, como o resfriamento durante a Pequena Era do Gelo (c. 1300–1850). O sol poderia ser mais mutável do que os registros recentes mostram?

O sol é responsável por mais de 99,9% da energia disponível na superfície da Terra, e mesmo pequenas mudanças podem ter um grande impacto nos processos que moldam o clima da Terra. Conhecer a irradiação solar total é importante para uma modelagem climática precisa.

Para melhorar e estender nosso monitoramento do sol, a nave espacial "Occulter" do Proba-3 medirá continuamente a saída de energia do sol usando seu instrumento Digital Absolute Radiometer (DARA). O DARA foi projetado para minimizar a entrada de luz difusa indesejada, ele pode se calibrar e deve ser capaz de medir com mais frequência graças a um sistema de controle mais rápido.

Outro DARA — exatamente o mesmo instrumento — já está voando pelo espaço no satélite meteorológico chinês FY-3E, lançado em 2021 e voando cerca de 800 km acima da superfície da Terra.

A principal diferença entre o DARA do Proba-3 e os radiômetros anteriores será sua órbita muito alongada, que o levará a 60.530 km acima da superfície da Terra. A distância maior da Terra significa que o ambiente espacial do instrumento é mais limpo, com menos luz dispersa. Isso permitirá que o Proba-3 meça variações na irradiação solar com alta exatidão e precisão.

Fonte: phys.org