Físicos geraram com sucesso pequenas explosões solares em laboratório: WebCuriosos

Nosso Sol irrompe regularmente em línguas de calor e fúria tão grandes que nosso próprio planeta seria muitas vezes menor que seu tamanho. Para entender melhor como funcionam, os pesquisadores criaram uma versão que cabe dentro da sua lancheira.

Usando um aparelho que transforma poderosas rajadas de eletricidade em loops de plasma semelhantes a cordas, uma equipe de físicos modelou explosões solares para estudar os poderosos raios X e partículas energéticas que fluem através do Sistema Solar.

“As observações solares detectam partículas energéticas e raios X duros, mas não podem revelar o mecanismo gerador porque a aceleração das partículas acontece em uma escala menor que a resolução da observação. Assim, detalhes da física em escala cruzada que explicam a geração de partículas energéticas e X duro -os raios permanecem um mistério”, escreva uma equipe liderado pelo físico Yang Zhang, do Caltech.

“Aqui, apresentamos observações de um experimento de laboratório que simula a física do circuito coronal solar.”

O Sol é uma bola de plasma altamente dinâmica e turbulenta, alimentada por fusão nuclear, por isso não é surpreendente que ele envolva algumas travessuras. Erupções poderosas que ejetam luz e partículas no espaço ao seu redor podem afetar o Sistema Solar através de distâncias significativas.

Definitivamente experimentamos esses efeitos aqui na Terra. A magnetosfera e a atmosfera protegem-nos dos raios X fortes de alta energia, mas o material ejetado solar pode interferir com satélites e naves espaciais, incluindo tecnologia de navegação e comunicação, e pode causar flutuações e perturbações na rede elétrica. Portanto, os cientistas, naturalmente, querem saber mais sobre como o Sol cria e ejeta material.

Mas há um limite para o que podemos extrair olhando para o próprio Sol; há um limite para a escala das observações que podemos fazer usando a tecnologia atual. Para estudar esses pequenos detalhes, os físicos recorreram à segunda melhor opção: replicar explosões solares em laboratório.

O físico Paul Bellan, da Caltech, projetou um aparato experimental especificamente para gerar estruturas conhecidas como loops coronais. Estes são arcos longos e fechados de plasma brilhante e pegajoso que irrompe da fotosfera solar, ao longo das linhas do campo magnético que se projetam para dentro da coroa solar. Estes estão frequentemente associados ao aumento da atividade solar, como erupções e ejeções de massa coronal.

Este aparelho consiste em bicos de gás, eletroímãs e eletrodos em uma câmara de vácuo.

Primeiro, os eletroímãs são ligados, gerando um campo magnético dentro da câmara de vácuo. Então, o gás é injetado na região do eletrodo.

Uma poderosa descarga elétrica em escalas de milissegundos é então aplicada através dos eletrodos; isso ioniza o gás, transformando-o em plasma que forma um loop restringido pelo campo magnético.

“Cada experimento consome tanta energia quanto é necessária para acender uma lâmpada de 100 watts por cerca de um minuto, e leva apenas alguns minutos para carregar o capacitor”, Bellan explica.

Cada loop dura apenas 10 microssegundos e é muito pequeno, com cerca de 20 centímetros (7,9 polegadas) de comprimento e um centímetro de diâmetro. Mas câmeras de alta velocidade registram cada momento da geração e propagação do loop, permitindo à equipe de pesquisa analisar detalhadamente sua formação, estrutura e evolução.

Os cientistas aprenderam recentemente que os laços coronais não apenas se parecem com uma corda, mas também são estruturados como ela. O novo trabalho permitiu à equipe descobrir qual o papel que essa estrutura desempenha na produção de material ejetado solar.

“Se você dissecar um pedaço de corda, verá que ele é feito de tranças de fios individuais” Zhang diz. “Separe esses fios individuais e você verá que são tranças de fios ainda menores e assim por diante. Os loops de plasma parecem funcionar da mesma maneira.”

E acontece que essas cadeias são responsáveis ​​pelas explosões de raios X. Como o plasma é um condutor forte, a corrente passa pelos circuitos; mas de vez em quando a corrente excede a capacidade de um circuito, como muita água correndo por uma mangueira.

Quando isso acontece, mostram as imagens da equipe, uma instabilidade semelhante a um saca-rolhas se desenvolve no laço e os fios individuais começam a se romper, o que coloca ainda mais pressão sobre os fios restantes.

Quando um fio se rompe, isso produz uma explosão de raios X, acompanhada por um pico de tensão negativo, semelhante à forma como a pressão cai em uma mangueira de água dobrada. Esta queda de tensão acelera as partículas carregadas no plasma; quando essas partículas desaceleram, uma explosão de raios X é emitida.

Analisando imagens de loops coronais no Sol, os pesquisadores identificaram uma instabilidade semelhante às observadas em laboratório que também estava associada a uma explosão de raios X, sugerindo que – mesmo que um fosse do tamanho de uma banana e o outro pudesse engolir confortavelmente o nosso planeta inteiro – os dois fenômenos foram produzidos da mesma forma.

Estudos futuros do Sol ajudarão a desvendar ainda mais este processo, mas parecem consistentes com outros estudos que descobriram como o rompimento e a reconexão das linhas do campo magnético resultam em poderosas explosões de energia. A equipe pretende continuar estudando as diferentes maneiras pelas quais os loops coronais podem se fundir e se reconfigurar para ver que tipos de explosões esta atividade produz.

A pesquisa foi publicada em Astronomia da Natureza.