Sunward Streaming 3He-rich SEP Events Observed by Solar Orbiter and Parker Solar Probe during Perihelion Passage

Este artigo relata a primeira observação multi-espaçônica de partículas solares energéticas ricas em 3He com fluxo em direção ao Sol realizada pelo Solar Orbiter e pela Parker Solar Probe, revelando que essas partículas percorreram caminhos significativamente mais longos do que o esperado devido ao redirecionamento por uma ejeção de massa coronal lenta originada da região ativa 13615.

O essencial

O Panorama Geral: Um "Retorno" Solar

Imagine o Sol como um farol gigante emitindo constantemente partículas (como pequenas bolinhas de gude em alta velocidade) no espaço. Normalmente, quando ocorre uma explosão dessas partículas, elas disparam diretamente para fora do Sol, como a água de uma mangueira de jardim. Os cientistas chamam essas explosões de eventos de "Partículas Energéticas Solares" (SEP).

Normalmente, se você estiver flutuando no espaço, verá essas partículas vindo em sua direção a partir do Sol. Mas, neste estudo, cientistas usando duas espaçonaves especiais — Solar Orbiter (SO) e Parker Solar Probe (PSP) — viram algo estranho acontecer em abril de 2024.

Em vez de verem as partículas voando para longe do Sol, eles as viram voando de volta para o Sol. Foi como observar um carro descendo uma rodovia, atingir uma placa de desvio enorme e, de repente, dirigir de volta todo o caminho até a linha de partida.

O Mistério: Dois Clues Estranhos

Os pesquisadores encontraram duas coisas muito estranhas sobre esses surtos específicos de partículas (que eram ricos em um tipo raro de hélio chamado Hélio-3):

1. O "Retorno" (Fluxo em direção ao Sol): As partículas estavam se movendo em direção ao Sol, não para longe dele. Isso é muito raro para este tipo de partícula.
2. O "Caminho Mais Longo" (Comprimento do Trajeto): Para chegar às espaçonaves, as partículas tiveram que percorrer um caminho que foi de 2 a 8 vezes mais longo do que a distância em linha reta do Sol. Imagine tentar caminhar da sua casa até o mercado, mas em vez de caminhar 1 milha, você teve que caminhar 5 milhas porque foi forçado a fazer um enorme desvio ao redor de uma zona de obras.

O Trabalho de Detetive: Encontrando o Culpado

Os cientistas perguntaram: O que poderia forçar essas partículas a fazer um caminho tão longo e para trás?

Eles analisaram o histórico do Sol. Descobriram uma explosão em "câmera lenta" (uma Ejeção de Massa Coronal, ou CME) que ocorreu dois dias antes da chegada das partículas. Pense nesta CME não como uma bala rápida, mas como uma nuvem gigante de força magnética que se expande lentamente para fora do Sol.

A Analogia:
Imagine que o Sol é uma fábrica e as linhas de campo magnético são trilhos de trem.

• Normalmente, os trilhos são linhas retas que levam para longe da fábrica.
• A CME lenta é como um trem gigante e lento que ficou preso nos trilhos.
• As partículas (os novos trens) tentaram sair da fábrica, mas atingiram a traseira do trem parado.
• Em vez de pararem, elas foram forçadas a contornar o exterior do trem parado para conseguir passar.

Como elas tiveram que contornar essa nuvem magnética gigante, seu trajeto tornou-se incrivelmente longo. E como a nuvem se movia lentamente, as partículas acabaram sendo empurradas de volta para o Sol enquanto tentavam navegar ao redor dela.

A Evidência: Uma Visão de Múltiplas Espaçonaves

Os cientistas tiveram uma vantagem única: eles tinham duas "câmeras" no espaço, a diferentes distâncias.

• A Solar Orbiter estava a cerca de 30% do caminho entre o Sol e a Terra.
• A Parker Solar Probe estava muito mais próxima, a cerca de 16% do caminho.

Normalmente, a espaçonave mais próxima vê as partículas primeiro. Mas, neste caso, a Solar Orbiter as viu primeiro, e a Parker Solar Probe as viu depois. Isso provou que as partículas estavam de fato se movendo para trás, em direção ao Sol. Se estivessem se movendo para longe, a sonda mais próxima as teria visto primeiro.

Por Que Isso Importa?

O artigo sugere algumas coisas interessantes sobre como o Sol funciona:

1. O Efeito "Semente": Essas partículas não apenas desapareceram. Elas provavelmente foram empurradas de volta para a superfície do Sol (a corona). Os cientistas acreditam que essas partículas podem ficar presas lá, agindo como "sementes" que podem ser reaceleradas mais tarde para criar tempestades solares ainda maiores.
2. Tempestades Generalizadas: Às vezes, essas tempestades de partículas são vistas em áreas imensas do espaço (centenas de graus de largura). O artigo sugere que, se uma tempestade de partículas envolver uma nuvem magnética gigante (como a CME neste estudo), ela pode se espalhar por uma área muito ampla, explicando por que às vezes vemos essas tempestades em todos os lugares ao mesmo tempo.

Resumo

Em suma, este artigo descreve um evento raro onde partículas solares ficaram presas em um "engarrafamento" magnético causado por uma nuvem solar de movimento lento. Isso forçou as partículas a fazer um desvio enorme e a viajar de volta para o Sol. É a primeira vez que os cientistas veem isso acontecer com duas espaçonaves ao mesmo tempo, proporcionando uma nova compreensão de como as partículas solares podem se perder, ser redirecionadas e potencialmente serem recicladas em nosso sistema solar.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Observação de SEPs ricos em $^3$He com fluxo em direção ao Sol pelo Solar Orbiter e Parker Solar Probe

Definição do Problema
Eventos de Partículas Energéticas Solares (SEPs), particularmente aqueles ricos em Hélio-3 ($^3$He), servem como sondas críticas para compreender a aceleração de partículas na baixa corona solar e os processos de transporte na heliosfera. Embora os eventos ricos em $^3$He sejam tipicamente caracterizados por um enriquecimento isotópico extremo e uma dispersão longitudinal limitada (tipicamente 20–30°), lacunas significativas permanecem na compreensão de suas origens, mecanismos de aceleração e dinâmica de transporte. Especificamente, observações anteriores notaram comprimentos de trajetória de viagem de partículas anormalmente longos (2–4 vezes a espiral de Parker nominal) e instâncias raras de distribuição ampla. Além disso, o fenômeno do "fluxo em direção ao Sol" (sunward streaming) — onde as SEPs fluem em direção ao Sol em vez de para longe dele — é bem documentado em eventos acelerados por choque, mas permanece inexplicado para eventos ricos em $^3$He, que são acelerados inteiramente dentro da corona solar. Este estudo aborda as observações anômalas de dois eventos de SEPs ricos em $^3$He que exibiram tanto fluxo em direção ao Sol quanto comprimentos de trajetória excepcionalmente longos durante a conjunção de 1 a 4 de abril de 2024 do Solar Orbiter (SO) e do Parker Solar Probe (PSP).

Metodologia
O estudo utiliza dados in situ de múltiplos espaçadores e observações de sensoriamento remoto para caracterizar dois eventos distintos de SEPs ricos em $^3$He originados da Região Ativa (AR) 13615.

• Medições In Situ: Os dados de partículas energéticas foram obtidos do Solar Isotope Spectrometer (SIS) no SO e do Energetic Particle Investigation (EPI-Hi/LET) no PSP. Estes instrumentos forneceram resolução de massa de alta precisão para $^3$He, $^4$He e íons pesados (C–Fe), bem como medições de fluxo direcional via telescópios com variados ângulos de visão (em direção ao Sol vs. em direção oposta ao Sol). Dados de parâmetros de plasma do vento solar e dados do Campo Magnético Interplanetário (IMF) foram adquiridos via SWA (SO) e SWEAP (PSP) para caracterizar o ambiente local.
• Análise de Comprimento de Trajetória: Os comprimentos de trajetória de viagem das partículas foram calculados definindo o tempo de liberação solar via surtos de rádio do Tipo III associados e medindo os tempos de chegada de bins de energia específicos (1,47 MeV/nuc para SO, 1,68 MeV/nuc para PSP). Perfis de dispersão de velocidade foram comparados contra as expectativas nominais da espiral de Parker.
• Quantificação de Anisotropia: A anisotropia de primeira ordem foi calculada usando razões de fluxo entre telescópios opostos (ex: SIS-A vs. SIS-B) para determinar a direção do fluxo global das partículas, corrigida pelo efeito Compton-Getting para transformar os dados para o referencial do vento solar.
• Sensoriamento Remoto e Modelagem: As regiões de origem solar foram identificadas usando dados de SO/EUI (EUV) e SO/STIX (raios X). Um candidato a CME (Ejeção de Massa Coronal) foi identificado em imagens de coronógrafo de luz branca SOHO/LASCO. A cinemática (velocidade, aceleração) e a geometria (excentricidade, largura) da CME foram modeladas usando ajustes elípticos à frente da CME em imagens diferenciais de LASCO. Um modelo geométrico foi então construído para simular a propagação de SEPs ao longo das linhas de campo magnético que envolvem (draped) a ICME em propagação para estimar comprimentos de trajetória teóricos.

Principais Resultados

1. Anisotropia de Fluxo em Direção ao Sol: Tanto o SO quanto o PSP observaram uma anisotropia negativa distinta (fluxo global em direção ao Sol) durante a fase dispersiva de ambos os eventos. No SO, telescópios voltados para o lado oposto ao Sol (SIS-B) mediram fluxos mais altos do que os telescópios voltados para o Sol (SIS-A), uma reversão da direção esperada para liberação coronal. Isso foi confirmado pelo PSP, onde telescópios voltados para o lado oposto ao Sol (LET-B, LET-C) registraram intensidades mais altas do que o LET-A, voltado para o Sol.
2. Comprimentos de Trajetória Anormalmente Longos: Os compramentos de trajetória de viagem calculados foram significativamente maiores do que os valores nominais da espiral de Parker. Para o primeiro evento, o SO mediu um comprimento de trajetória de $0,98 \pm 0,05$ AU (3,3x o nominal) e o PSP mediu $1,37 \pm 0,05$ AU (8,6x o nominal). O segundo evento mostrou um comprimento de trajetória de $0,83 \pm 0,05$ AU no SO, ainda quase três vezes o valor nominal.
3. Sequência Temporal de Chegada: Apesar de o PSP estar mais próximo do Sol (0,16 AU) do que o SO (0,3 AU), as SEPs chegaram primeiro ao SO. Essa inversão temporal fornece evidência direta de uma população de partículas direcionada ao Sol, viajando da parte externa da heliosfera para o interior.
4. Sensoriamento Remoto da Fonte e CME: Os eventos originaram-se da AR 13615, associada a jatos de EUV e flares de classe C baixa. Uma CME lenta (velocidade $\approx 368$ km/s) originada da mesma região aproximadamente 48 horas antes dos eventos de SEP foi identificada como o agente de redirecionamento provável.
5. Validação do Modelo: Um modelo assumindo que as SEPs foram injetadas em linhas de campo que envolvem a frente da ICME resultou em comprimentos de trajetória de 0,76–0,95 AU para o SO e 0,94–1,1 AU para o PSP. Embora esses valores modelados sejam ligeiramente menores que os observados, eles estão em concordância razoável e apoiam a hipótese de que as partículas viajaram ao redor da borda da ICME.

Principais Contribuições

• Primeira Observação Multi-Espacial Simultânea: Este trabalho apresenta a primeira observação simultânea, de múltiplos espaçadores, de SEPs ricos em $^3$He com fluxo em direção ao Sol.
• Mecanismo para Alongamento do Comprimento de Trajetória: O estudo fornece evidência de que ICMEs no heliosfera interna podem redirecionar SEPs, fazendo com que viajem ao longo de linhas de campo magnético alongadas que envolvem a estrutura da ICME, em vez de atribuir longos comprimentos de trajetória unicamente ao serpenteamento das linhas de campo.
• Explicação para Distribuição Ampla: Os autores propõem que a difusão de SEPs ao longo da ampla frente de uma ICME lenta pode explicar eventos de SEPs ricos em $^3$He de distribuição ampla e raros, que abrangem grandes longitudes heliosféricas, independentemente da própria associação do evento de SEP com uma CME.
• Implicações da População de Semente: A observação sugere um mecanismo onde material rico em $^3$He pode ser redirecionado de volta para a corona solar, potencialmente povoando a região com material de semente pré-acelerado para eventos de SEP graduais subsequentes e maiores.

Significância e Alegações
Os autores alegam que estas descobertas constituem um mecanismo inovador para compreender o transporte de SEPs ricos em $^3$He. Ao demonstrar que as SEPs podem ser redirecionadas por uma ICME lenta e pré-existente, o artigo oferece uma explicação plausível tanto para os comprimentos de trajetória extremos quanto para o fluxo contraintuitivo em direção ao Sol observado nestes eventos. O estudo destaca que tal redirecionamento pode ser um ocorrência comum durante o máximo solar, dada a alta frequência de ICMEs na heliosfera interna. Além disso, o trabalho sugere que a população "semente" para eventos de SEP graduais pode ser significativamente enriquecida por material rico em $^3$He remanescente retornado à corona, um processo que careceria de assinaturas remotas (como jatos de EUV) no momento da aceleração subsequente. Os autores mantêm-se modestos quanto à frequência deste fenômeno, observando que, embora a hipótese da ICME se ajuste aos dados, assinaturas in situ definitivas da ICME não foram detectadas nos locais dos espaçadores, implicando que os espaçadores podem ter apenas perdido o núcleo da ICME. Observações futuras de múltiplos espaçadores são necessárias para refinar estas interpretações e determinar a prevalência deste mecanismo de transporte.