Missão Estudará as Interações entre o vento Solar e a Magnetosfera da Terra

Ilustração do Cluster e XMM-Newton observando a magnetosfera da Terra, com várias regiões-chave indicadas.

A missão Solar Wind-Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer (SMILE, na sigla em inglês) ainda está a quatro anos do lançamento, mas os cientistas já estão usando os satélites da ESA existentes, como o observatório de raios-X XMM-Newton e a missão Cluster que estuda a magnetosfera da Terra, para pavimentar o caminho para este empreendimento pioneiro.
Uma missão conjunta europeia-chinesa, SMILE, está programada para ser lançada em 2023. Ela será colocada em uma órbita elíptica altamente inclinada ao redor da Terra, que a levará a até 120.000 km de nosso planeta.
Um de seus principais objetivos será observar a conexão Sol-Terra, particularmente as interações do lado diurno da Terra, entre o vento solar - um fluxo de partículas carregadas que fluem do Sol para o espaço interplanetário - e a magnetosfera do nosso planeta.

Do seu ponto de vista, o SMILE observará a interação do vento solar com a magnetosfera, coletando imagens e vídeos simultâneos da magnetopausa de dia (onde a magnetosfera da Terra encontra o vento solar - indicado em rosa), as cúspides polares (uma região em cada hemisfério onde partículas do vento solar têm acesso direto à ionosfera da Terra - indicada em verde) e ao oval auroral (a região em torno de cada polo geomagnético onde as auroras costumam ocorrer).

A magnetosfera é uma bolha magnética invisível que protege o planeta do bombardeio contínuo, mas variável, de partículas solares - principalmente prótons e elétrons.
O SMILE levará quatro instrumentos para observar esse campo de batalha celestial em constante mudança: um analisador de íons de luz, um magnetômetro, um gerador de imagens de raios-X suave e um gerador de imagens ultravioleta da aurora.
O gerador de imagens de raios X suave, projetado para detectar imagens de raios X de baixa energia, observará as regiões externas da magnetosfera da Terra por até 40 horas por órbita.
Essas regiões incluem a magnetobainha, que fica por trás do choque em arco, onde o fluxo de partículas de vento solar é drasticamente mais lenta, e a magnetopausa, que é o limite externo da magnetosfera da Terra.
De particular interesse para os cientistas que estão se preparando para a missão SMILE é a densidade de átomos de hidrogênio neutros próximos à magnetopausa. É aqui que o sinal dos raios X de baixa energia, ou sinal suave dos raios X, deve atingir seu pico.
Os raios X são gerados quando partículas altamente carregadas do vento solar colidem com átomos de hidrogênio no ambiente magnético da Terra - um processo conhecido como troca de carga do vento solar. Quando a densidade do hidrogênio e o fluxo do vento solar são maiores que a média, o resultado é uma emissão mais forte de raios-X suaves. Nesses momentos, o SMILE poderá fornecer imagens e filmes de raios-X frequentes e de alta resolução da região de interação.
As imagens resultantes - as primeiras do gênero - ajudarão os cientistas a entender as interações em larga escala entre a magnetosfera externa de nosso planeta e o vento solar. Ao procurar pelo pico suave de raios-X, o SMILE rastreará o movimento da magnetopausa e revelará alguns dos segredos de como as linhas do campo magnético se rompem e se reconectam em escala global.
Para melhorar a nossa compreensão do que acontece quando ocorre o processo de troca de carga do vento solar, cientistas da Europa, China e Estados Unidos estão utilizando dados de satélites como o observatório de raios-X XMM-Newton e o quarteto Cluster de satélites que voam através da magnetosfera da Terra. Os dados permitem que eles estudem medições reais de raios-X suaves feitas no espaço próximo à Terra e simulem o que o SMILE provavelmente observará.
Em 2019, Hyunju Connor, da Universidade de Fairbanks, Alasca, EUA, e Jennifer Carter, Universidade de Leicester, Reino Unido, publicaram um artigo no qual investigam a densidade neutra de hidrogênio a distâncias da Terra de cerca de 64.000 km - a distância média da magnetopausa subsolar - usando observações do XMM-Newton em raios-X suaves.
XMM-Newton é um observatório astrofísico projetado para estudar fenômenos altamente energéticos em todo o Cosmos, como buracos negros e restos de explosões de supernovas, que brilham intensamente em raios-X. O satélite segue uma órbita altamente elíptica de 48 horas ao redor da Terra.

Modelo da magnetosfera terrestre, mostrando a posição da magnetobainha.

Embora os alvos do XMM-Newton estejam muito além do nosso planeta, a linha de visão de seus imageadores de raios-X às vezes pode atravessar a magnetobainha do lado da Terra, resultando em uma emissão difusa de raios-X suave no primeiro plano da observação.
Essa emissão fornece uma oportunidade para os cientistas que estudam o plasma, que analisam esses dados há muitos anos, investigarem eventos de troca de carga de vento solar na magnetosfera externa. Estes estudos estão agora provando valor durante os preparativos para a missão SMILE.
Em seu artigo, Connor e Carter examinaram 103 eventos de emissão de troca de carga do vento solar com variação temporal que os astrônomos detectaram durante quase 9 anos de observações de raios-X com o XMM-Newton.
Entre os 10 principais eventos mais fortes, eles encontraram duas ocorrências em 4 de maio de 2003 e 16 de outubro de 2001, para as quais também havia dados da magnetobainha obtidos pela missão Cluster e pelo satélite japonês Geotail, além de dados do vento solar das naves ACE e WIND da NASA, parte da missão OMNI.
Para esses eventos, os cientistas compararam essas medições in situ (medição dos satélites) com simulações geradas usando um modelo de computador conhecido como Open Geospace Global Circulation Model, ou OpenGCCM, que usa dados de vento solar como entrada. Os dados in situ foram cruciais para verificar a validade do modelo.
Depois de confirmar uma boa concordância entre a densidade modelada e a observada na magnetobainha, os cientistas foram capazes de determinar a densidade de partículas neutras de hidrogênio próximas à magnetopausa. Eles descobriram que a densidade neutra estimada era alta o suficiente para produzir fortes sinais de raios-X, confirmando que o SMILE deverá fornecer novas imagens interessantes da interação dinâmica sol-magnetosfera.
Os cientistas estão agora realizando análises estatísticas em uma amostra mais ampla de dados do XMM-Newton, a fim de obter uma caracterização mais abrangente das densidades de hidrogênio neutras durante do dia, levando em consideração as variações na atividade solar.
Enquanto isso, outro artigo de 2019, liderado por Tianran Sun, do Centro Nacional de Ciência Espacial em Pequim, na China, apresentou simulações da emissão de raios-X suave na magnetopausa durante o dia e nas cúspides sob várias condições de vento solar.
Essas simulações estão ajudando a prever o comportamento de uma ampla gama de fenômenos relevantes para futuras observações de imagens de raios-X suaves pelo SMILE, tal como alterações no fluxo de raios-X ou no local da magnetopausa, dependendo do fluxo de vento solar recebido.
Paralelamente, esses estudos também estão apoiando o desenvolvimento da metodologia que será usada para reconstruir a estrutura 3D e a localização da magnetopausa a partir das imagens 2D que o imageador de raios-X suave SMILE obterá.

Fonte: Space Daily via ESA