Figura 1 - Ilustração artística de uma superflare produzida pelo Sol.
Crédito: Max-Planck-Institut
Para determinar se o Sol é capaz de produzir tais monstros, uma equipe internacional, incluindo o Departamento de Astrofísica do IRFU no CEA Paris-Saclay, analisou dezenas de milhares de estrelas semelhantes ao Sol. Os pesquisadores descobriram que não apenas o Sol pode gerar superflares, mas elas ocorreriam em média uma vez por século, uma frequência muito maior do que se estimava até agora.
No entanto, os vestígios deixados por antigas erupções solares nos arquivos terrestres mostram que essas superflares nem sempre são acompanhadas por ejeções massivas de matéria, uma sorte para nossa sociedade tecnológica vulnerável a esses eventos. Para entender e antecipar melhor essas fúrias solares, os pesquisadores se baseiam em simulações numéricas complexas para estudar os mecanismos por trás do magnetismo e das erupções solares.
O Sol seria capaz de gerar superflares?
As flares são emissões eletromagnéticas súbitas, localizadas e de grande intensidade, provenientes de estrelas como o Sol. Esses fenômenos liberam uma quantidade considerável de energia em um curto espaço de tempo (cf. figura 1). Eles são frequentemente acompanhados por ejeções massivas de plasma, chamadas ejeções de massa coronal (CMEs).Quando as partículas energéticas solares (SEPs) provenientes dessas erupções atingem a Terra, elas representam um perigo radiativo significativo para satélites, aeronaves e humanos. As poderosas tempestades solares observadas este ano, que geraram auroras até em regiões de baixa latitude, testemunham o caráter impetuoso do Sol. Mas ele poderia produzir erupções ainda mais intensas, superflares, cujos danos na Terra seriam catastróficos? E, se sim, com que frequência elas poderiam ocorrer?
Figura 2 - Exemplo de superflare observado na curva de luz (pontos azuis) de uma estrela da amostra estudada.
A estrela KIC 8183083, semelhante ao Sol, exibe uma forte variação de luminosidade, característica de uma superflare, delimitada aqui pelas linhas verticais tracejadas (painel superior). Quando se amplia a imagem (cf. painel inferior), notam-se duas medidas do fluxo luminoso, simbolizado por uma forma de estrela, que ultrapassam significativamente (superior a 5?) os outros valores.
Crédito: Vasilyev et al. 2024
As evidências das piores "fúrias" solares são encontradas nos anéis de árvores pré-históricas e em amostras de gelo milenares. A análise desses arquivos terrestres, cobrindo os últimos 12.000 anos, sugere que uma tempestade solar extrema ocorre em média a cada 1.500 anos. No entanto, essa estimativa pode estar subestimada, pois a relação entre superflares e ejeções de partículas solares extremas ainda é incerta. Quanto às medições diretas da radiação solar, elas remontam apenas à era espacial, um período muito curto para fornecer conclusões definitivas.
Uma alternativa é estudar estatisticamente as superflares em estrelas semelhantes ao Sol. Se as propriedades dessas estrelas corresponderem suficientemente às da nossa estrela, a frequência das superflares observadas pode oferecer uma estimativa indireta, mas valiosa, da frequência das superflares solares.
Superflares surpreendentemente frequentes
Para este estudo, os pesquisadores utilizaram dados do telescópio Kepler (NASA), que observou sem interrupção as variações de luminosidade de milhares de estrelas durante 4 anos, de 2009 a 2013. Eles então selecionaram as estrelas cuja temperatura e luminosidade são comparáveis às do Sol, com uma localização precisa determinada graças ao satélite Gaia. A amostra assim constituída conta com 56.450 estrelas, representando o equivalente a 220.000 anos de atividade estelar, ou seja, cerca de 18 vezes mais do que os arquivos terrestres.As superflares, que liberam mais de um octilhão de joules em alguns instantes, se manifestam por picos pronunciados na curva de luminosidade das estrelas (cf. figura 2). Após eliminar potenciais vieses, como a radiação cósmica ou asteroides próximos, os pesquisadores identificaram 2.889 superflares em 2.527 estrelas, ou seja, uma média de uma superflare por estrela a cada 100 anos. Mesmo restringindo a amostra para manter apenas as estrelas com características mais próximas às do Sol, a mesma frequência de erupções é encontrada.
"Ficamos muito surpresos com a frequência dessas superflares", declarou o Dr. Valeriy Vasilyev, autor principal do estudo e pesquisador do Max Planck Institut.
De fato, estudos anteriores relataram frequências cerca de duas ordens de magnitude inferiores às observadas neste estudo, entre 1.000 a 10.000 anos. No entanto, essas estimativas são incompatíveis com as erupções solares observadas, provavelmente devido a vieses nas análises, relacionados a uma identificação incerta das fontes das erupções.
Superflares ditadas por uma lei de potência
A partir da distribuição energética do número de erupções estelares por ano e por unidade de energia (cf. Figura 3), os pesquisadores observaram que a frequência das erupções diminui com a energia liberada segundo uma lei de potência do tipo E-α, onde o expoente α determina a rapidez dessa diminuição. O valor de α para o Sol, obtido a partir das medições realizadas no espaço entre 1986 e 2020, está em muito boa concordância com as medições estelares, validando assim as estimativas da frequência das superflares (E>1034 erg) em cerca de uma por século.No entanto, a questão se coloca: o Sol, cuja rotação é lenta (28 dias), pode acumular energia suficiente para gerar tais erupções? Além de sua contribuição para a interpretação e análise dos dados, simulações de dínamo realizadas pelos pesquisadores do Departamento de Astrofísica do CEA demonstraram que tal fenômeno é energeticamente possível.
"Os cálculos de dínamo de alta performance de estrelas do tipo solar explicam facilmente as origens magnéticas da intensa liberação de energia durante essas superflares.” Dr. Allan-Sacha Brun
Figura 3 - Distribuições cumulativas da frequência anual das erupções solares e estelares em função de sua energia (em erg).
Uma superflare é definida como uma erupção cuja energia E excede 1034 erg (simbolizada por um raio). A extrapolação das observações solares (linha tracejada verde), obtidas no espaço entre 1986 e 2020 (histograma verde), sugere uma ocorrência média de uma superflare solar por século (10-2/ano). As medições das erupções estelares em uma vasta amostra de estrelas, semelhantes ao Sol, observadas pelo telescópio Kepler (histogramas azul para a amostra completa, laranja para uma amostra restrita), confirmam essa frequência das superflares (linha preta tracejada). Por outro lado, as estimativas baseadas nos arquivos terrestres (quadrados verdes), como anéis de árvores e amostras de gelo, indicam uma ocorrência cerca de 10 a 100 vezes menos frequente. Essa diferença se explica pelo fato de que as superflares não são sistematicamente acompanhadas por ejeções massivas de partículas energéticas e carregadas.
Crédito: Vasilyev et al. 2024.
Como se proteger das tempestades espaciais perigosas
Este estudo revela que o Sol poderia gerar superflares com uma frequência maior do que se estimava anteriormente: cerca de uma vez por século. Esses fenômenos podem liberar energias até 100 vezes superiores às da erupção solar mais poderosa já registrada, ocorrida em 28 de outubro de 2003. Felizmente, os arquivos terrestres mostram que essas superflares não são sistematicamente acompanhadas por ejeções massivas de partículas carregadas e energéticas, o que é uma sorte para nossa civilização tecnodependente.De fato, tais ejeções poderiam levar a consequências catastróficas (cf. figura 4), causando, por exemplo, a perda de satélites, cortes nas redes elétricas, desvios ou até paradas de voos, apagões de rádio, etc.
Figura 4 - Consequências na Terra das perturbações relacionadas à atividade solar nos domínios espacial (astronautas, satélites), de comunicações (geolocalização, rádio), aeronáutico (radiações) e instalações elétricas no solo.
Crédito: ESA
Este estudo destaca, portanto, a importância de entender melhor o nosso Sol para antecipar esses eventos extremos e limitar seus efeitos. Mas essa tarefa está longe de ser fácil. A monitoração em tempo real das erupções solares permite apenas uma reação limitada, uma vez que as partículas e radiações perigosas atingem a Terra em apenas 8 minutos, um prazo muito curto para implementar contra-medidas eficazes.
É, portanto, essencial desenvolver meios para antecipar os estados futuros do Sol. Para isso, os pesquisadores do CEA utilizam simulações numéricas complexas e assimilam nesses modelos dados reais capazes de reproduzir esses fenômenos, uma disciplina conhecida como meteorologia espacial. Ela visa estudar os efeitos das erupções solares na Terra e desenvolver estratégias para se proteger delas.
O Departamento de Astrofísica do IRFU no CEA Paris-Saclay fez disso sua especialidade. Com a ajuda de supercomputadores, os pesquisadores simulam numericamente o Sol e o ambiente complexo entre o Sol e a Terra, onde o vento e a magnetosfera solar interagem (e.g. projetos Whole Sun, Stormgenesis e WindTRUST).
Esses trabalhos se baseiam em uma vasta rede de observações contínuas do Sol, graças em parte ao instrumento STIX, concebido em parte no CEA Paris-Saclay e embarcado no satélite Solar Orbiter. Esse instrumento fornece dados valiosos de espectro-imagem de raios X, permitindo estudar os processos físicos por trás das erupções solares.
A partir de 2031, os pesquisadores também poderão contar com a sonda Vigil da ESA (especialmente o instrumento JEDI, para o qual o CEA é co-investigador científico), que, a partir de um posto de observação no lado do Sol, monitorará em tempo quase real os sinais precursores de fenômenos perigosos antes que eles sejam visíveis da Terra. Finalmente, a partir do final de 2026, o satélite Plato (ESA), digno sucessor do Kepler, para o qual o CEA tem uma contribuição de hardware e científica, reforçará o estudo do Sol, permitindo comparações estatísticas com estrelas semelhantes.
O estudo foi publicado em 13 de dezembro de 2024 na revista Science.