Onde termina o Sistema Solar?

Título: Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium

Autores: John D. Richardson, John W. Belcher, Paula Garcia-Galindo, Leonard F. Burlaga

Instituição do primeiro autor: Kavli Institute for Astrophysics and Space Research; Massachusetts Institute of Technology, EUA

Status: Publicado na Nature Astronomy

Onde o Sistema Solar realmente termina? Poderíamos dizer que é onde a gravidade do Sol deixa de ser forte o suficiente para evitar que objetos escapem. Nesse caso, o limite seria a borda da Nuvem de Oort, uma esfera fracamente ligada, estendendo-se a quase 3 anos-luz do Sol, que contém pedaços de rocha e gelo que restaram da formação do Sistema Solar. Poderíamos alternativamente dizer que o limite é onde as partículas energéticas do Sol (o vento solar) param de fluir para longe de nós, bloqueadas pela pressão do gás e poeira que se encontra entre as estrelas, no chamado de meio interestelar.

Hoje vamos focar na segunda opção: a heliopausa, a fronteira onde o vento solar encontra o meio interestelar. A heliopausa marca a borda da heliosfera, a região ao redor do Sol atingida pelo vento solar. Tanto o vento solar quanto o meio interestelar são feitos de plasma, um gás de partículas carregadas eletricamente que pode ser considerado o quarto estado da matéria. Em um plasma, alguns dos elétrons foram arrancados dos átomos, de modo que partículas carregadas (íons) circulam. A heliosfera pôde ser estudada por meio de medições diretas com as missões Voyager, lançadas na década de 1970.

Depois de viajar muito além dos planetas do Sistema Solar, as duas missões Voyager chegaram pela primeira vez à região onde a velocidade do vento solar é subsônica, conhecida como “choque de terminação”. O próximo grande marco dessa viagem foi a heliopausa (veja ilustração na Figura 1). Essa é a região em que o Sistema Solar interage com a Galáxia em que habitamos, de modo que é importante e crucial estudá-la. Podemos aprender muito sobre como as forças e os campos magnéticos no plasma do meio interestelar confinam e influenciam o vento solar. A heliopausa é importante até para entendermos como a vida pode ocorrer ems sistemas solares  é ela que nos protege dos perigosos raios cósmicos e de outras radiações de alta energia que podem ser desastrosas para a vida.

Figura 1: ilustração (fora de escala) mostrando os planetas e as diferentes características da heliosfera. (Adaptado da Encyclopedia Britannica)

A Voyager 1 cruzou a heliopausa pela primeira vez em 2012, a 122 unidades astronômicas (UA) de distância, o que significa que a Voyager 1 estava 123 vezes mais longe do Sol do que a Terra. A Voyager 2 finalmente alcançou esse marco no final de 2018, a 119 UA, passando por um fluxo ligeiramente diferente de vento solar do que a Voyager 1, como mostra a Figura 2. Embora a Voyager 1 tenha nos dado as primeiras informações sobre a heliopausa, ele passou por um local estranho, onde o vento solar parecia fluir mais lentamente e de maneiras que não esperávamos. A sonda além disso não pôde fazer todas as medições planejadas, pois seu instrumento para analisar plasmas não estava funcionando. Por isso, desde 2012, os astrônomos esperavam ansiosamente que a Voyager 2 alcançasse a heliopausa, para que pudessem ser feitas novas medições permitindo que entendamos a heliopausa por outra perspectiva, incluindo a velocidade e a direção do fluxo do plasma, a temperatura e a densidade nessa região.

Figura 2: diagrama das trajetórias das Voyager 1 e 2, ilustrando os diferentes caminhos que as sondas seguiram em direção aos confins do sistema solar. (NASA / JPL)

Afinal, o que a Voyager 2 viu por lá? Ao se aproximar da heliopausa, a sonda entrou em uma “camada limite” – uma região onde a densidade e o campo magnético aumentam conforme o vento solar encontra o meio interestelar. A Voyager 1 também viajou por essa camada e observou algo estranho: o fluxo do vento solar estagnou, mostrando velocidades mais lentas do que o esperado. A Voyager 2 viu velocidades muito diferentes do vento solar nessa região de fronteira. Embora não tenhamos certeza do porquê dessas duas observações serem tão diferentes, os autores pensam que isso pode ser devido a instabilidades na camada limite. A heliosfera não é uma bolha perfeita, mas suas bordas podem ter redemoinhos e manchas irregulares, resultando em diferentes medidas de velocidade em diferentes regiões da esfera. A sonda levou oito dias para atravessar essa região de fronteira, mas a heliopausa em si é uma região tão definida que apenas um dia foi necessário para atravessá-la.

Após a heliopausa, a Voyager 2 atingiu o “meio interestelar muito local”. O meio interestelar próximo a nós também não é perfeitamente suave. A Voyager 2 observou variações na velocidade, na direção do fluxo, na densidade e na temperatura do plasma nessa região e descobriu que quanto mais distante da heliopausa, mais denso o meio interestelar fica. Isso faz sentido, porque essa região é mais fria do que próximo à heliopausa, onde o gás é aquecido pelo choque entre o vento solar e o meio interestelar. Na verdade, as temperaturas no limite da heliosfera são até mais altas do que o esperado, sugerindo que o gás é aquecido além do que prevemos. A Voyager 2 também passou por uma região interessante, onde a corrente no plasma aumentou (ilustrada nos dados da Figura 3); os autores pensam que isso é efeito de um choque – uma mudança repentina de pressão e densidade.

Figura 3: medições da corrente no fluxo do meio interestelar muito local, conforme medido pela Voyager 2. A heliopausa está marcada como “HP” e o pico no dia 418 mostra o momento em que a Voyager 2 pode ter passado por um choque. Figura 5 no artigo.

Ter medições diretas de todo esse plasma e matéria além da heliopausa é importante, porque é literalmente o material que está entre TODAS as estrelas! A maior parte do Universo (além da matéria escura, é claro) é feita de plasma e, após mais de 30 anos de viagem e espera, agora temos a chance de observar esse plasma diretamente.

Originalmente criadas como uma missão para estudar Júpiter e Saturno de perto, as sondas Voyager acabaram voando por Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e 48 luas. Elas seguiram suas viagens para além dos planetas, passando pela heliopausa e entrando no espaço interestelar. As duas Voyagers agora estão lá fora, observando o meio interestelar local – e podemos esperar obter informações sobre a matéria entre todas as estrelas, desde que as sondas permaneçam funcionais e se comunicando com a Terra. De qualquer forma, ambas sondas já nos permitiram obter muita informação além do planejado em suas missões originais!


Adaptado de Where the Solar System Ends, escrito por Briley Lewis

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