O telescópio Inouye filmou vórtices de plasma no Sol que podem resolver um mistério de 50 anos

Há algo de estranho no Sol: à medida que nos afastamos da sua superfície, a temperatura aumenta. A fotosfera — a camada visível que emite a luz que vemos — situa-se a cerca de 5.700 graus Celsius. A cromosfera acima dela atinge dezenas de milhares de graus. E a coroa, a vasta atmosfera exterior do Sol, arde a um a três milhões de graus, tornando-a quase 200 vezes mais quente do que a camada abaixo dela.

Este tem sido um dos problemas não resolvidos mais duradouros da astrofísica há cerca de 50 anos. O calor flui do quente para o frio — termodinâmica básica. Uma coroa mais quente do que a superfície que coroa desafia a intuição, e no entanto aparece em torno de todas as estrelas do céu. A energia que a aquece tem de vir de algum lado. Décadas de teoria propuseram mecanismos; nenhum fechou o caso.

A resposta pode viver em redemoinhos de 20 quilómetros de diâmetro.

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Como o fizeram

O NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope — um instrumento de 4 metros situado perto do cume de Haleakalā, Maui, e o telescópio solar mais potente do mundo — captou imagens da fotosfera do Sol com uma resolução que não tinha sido possível até então. Para detetar as estruturas que a equipa procurava, precisavam de resolver características com cerca de 20 quilómetros de diâmetro numa estrela a 150 milhões de quilómetros de distância.

A essa escala, as imagens revelaram algo que nenhum instrumento anterior tinha mostrado: estruturas semelhantes a franjas nas bordas dos grânulos solares, as células convectivas com cerca de 500 a 2.000 quilómetros de largura que ladrilham a fotosfera como um enorme campo de bolhas que se agitam lentamente. Ao longo dessas bordas, camadas adjacentes de plasma movem-se a velocidades diferentes. O cisalhamento entre essas camadas desencadeia a instabilidade de Kelvin-Helmholtz — um fenómeno de dinâmica de fluidos que enrola a camada limite numa cascata de vórtices espaçados de 50 a 65 quilómetros.

As instabilidades de Kelvin-Helmholtz estão bem documentadas noutros locais: em frentes meteorológicas onde massas de ar frio e quente se encontram, na termoclina oceânica, nas bandas de nuvens de Júpiter e na magnetopausa da Terra onde o vento solar encontra o campo magnético do planeta. Até agora, nenhum instrumento as tinha resolvido a operar na fotosfera solar. A abertura de 4 metros do telescópio Inouye tornou a deteção possível pela primeira vez.

O que os vórtices fazem

As instabilidades nas fronteiras dos grânulos parecem atuar como um mecanismo para transportar fluxo magnético através da atmosfera solar. À medida que as camadas de plasma giram umas em torno das outras, as linhas de campo magnético que as atravessam são torcidas, esticadas e empurradas para cima. A análise da equipa sugere que estes vórtices são uma fonte da “difusão magnética em falta” que os modelos teóricos do interior solar exigiam mas não conseguiam localizar — um mecanismo para o fluxo se mover através das fronteiras do campo magnético mais rapidamente do que a difusão direta permite.

Uma segunda implicação diz respeito diretamente à coroa. Linhas de campo magnético torcidas e comprimidas armazenam energia como uma mola enrolada. Quando se reconectam — saltam para uma configuração de menor energia — libertam essa energia rapidamente. Estes breves surtos são chamados nanoflares. Suficientes deles, distribuídos por toda a superfície solar, poderiam sustentar a coroa às temperaturas extremas observadas. Os vórtices de Kelvin-Helmholtz podem ser o que carrega a mola.

“Acreditamos que a descoberta da instabilidade de Kelvin-Helmholtz na fotosfera solar é um grande passo em frente na nossa compreensão da dinâmica e evolução do plasma solar e estelar”, disse o Dr. David Boboltz, diretor adjunto do National Solar Observatory.

“Para detetar os vórtices, precisávamos de resolver estruturas na superfície solar com cerca de 20 quilómetros de tamanho”, notou o coautor Michiel van Noort do Max Planck Institute for Solar System Research, descrevendo o desafio observacional.

O que não resolve

Esta é uma descoberta sugestiva, não uma resposta final. O artigo documenta a presença das instabilidades e o seu provável papel na difusão magnética. Não prova que os vórtices de Kelvin-Helmholtz sozinhos possam explicar o orçamento energético total da coroa.

O problema do aquecimento coronal atraiu dezenas de soluções propostas ao longo das décadas — dissipação de ondas de Alfvén, reconexão magnética em escalas maiores, ressonância de ciclotrão, entre outras. O que o resultado de Kelvin-Helmholtz fornece é um motor plausível a operar na menor escala espacial alguma vez resolvida na superfície solar — um mecanismo de baixo para cima que complementa, em vez de substituir, os outros.

Os vórtices foram também observados numa janela de comprimento de onda limitada e durante condições específicas de atividade solar. Alguns modelos teóricos sugerem que instabilidades adicionais podem operar abaixo dos 20 km — mais pequenas do que o Inouye consegue atualmente resolver. O seu comportamento ao longo de toda a gama de condições do ciclo solar, particularmente durante períodos de intensa atividade do campo magnético, permanece por caracterizar.

O que vem a seguir

O Inouye Solar Telescope está a passar por atualizações de instrumentos para melhorar a sua cobertura espectral e sensibilidade. Campanhas de observação futuras estão concebidas para capturar regiões de fronteira de grânulos simultaneamente em múltiplas camadas atmosféricas — ligando os vórtices fotosféricos diretamente a assinaturas de energia mensuráveis na cromosfera e coroa acima deles.

O Sol está atualmente numa fase ativa do seu ciclo de 11 anos, um período que produz atividade do campo magnético mais intensa nas fronteiras dos grânulos. A equipa espera que isto gere instabilidades de Kelvin-Helmholtz mais densas e mais energéticas — observações que deverão quantificar quanta energia os vórtices realmente transportam para cima.

Perguntas comuns sobre as instabilidades de Kelvin-Helmholtz no Sol

O que é o problema do aquecimento coronal?

A fotosfera do Sol (a sua superfície visível) situa-se a cerca de 5.700°C. A coroa — a sua atmosfera exterior que se estende por milhões de quilómetros no espaço — arde a um a três milhões de graus. Como a energia flui do quente para o frio, e a coroa está mais longe da fornalha nuclear no núcleo do Sol, a sua temperatura extrema tem intrigado os astrofísicos há cerca de cinco décadas. Os vórtices de Kelvin-Helmholtz são um mecanismo candidato para transportar energia fotosférica para a coroa.

O que é a instabilidade de Kelvin-Helmholtz?

É um fenómeno de dinâmica de fluidos nomeado em homenagem a Lord Kelvin e Hermann von Helmholtz. Quando duas camadas de fluido (ou plasma) se movem a velocidades diferentes ao longo da sua fronteira comum, a força de cisalhamento entre elas gera ondas que se enrolam em vórtices — semelhante às cristas de espuma branca nas ondas do oceano, ou à fronteira ondulada de nuvens onde uma massa de ar rápida desliza por uma estacionária. O mesmo processo parece agora operar na superfície do Sol.

Quão potente é o Inouye Solar Telescope?

O NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope, localizado em Haleakalā, em Maui, Havai, a cerca de 3.000 metros de altitude, possui o maior espelho solar do mundo com 4 metros de diâmetro. A sua resolução é suficiente para distinguir características de 20 km de diâmetro no Sol — uma estrela a 150 milhões de quilómetros de distância.

Isto resolve o mistério do aquecimento coronal?

Não definitivamente. O artigo estabelece que os vórtices de Kelvin-Helmholtz são reais, omnipresentes e transportam um mecanismo plausível de transporte de energia. O que ainda não quantifica é se eles fornecem energia suficiente para sustentar a coroa de um milhão de graus. Espera-se que observações de seguimento durante a atual fase ativa do ciclo solar abordem diretamente o orçamento energético.

O próximo passo da equipa do Inouye é rastrear os vórtices através de múltiplas camadas atmosféricas simultaneamente — desde a fotosfera onde se originam, passando pela cromosfera e até à própria coroa — para traçar o percurso da energia desde a sua fonte fotosférica até ao plasma de um milhão de graus acima.

Referência: Kuridze et al., “Ubiquitous Kelvin–Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10871-3

Etiquetas: astronomia, coronal heating, inouye solar telescope, kelvin-helmholtz instabilities, plasma vortices, solar physics

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