Constraining the onset height of coronal mass ejection driven shocks using near-Sun observations in visible and radio wavelengths

Título: Restringindo a altura de início de choques impulsionados por Ejeções de Massa Coronal (CMEs) usando observações próximas ao Sol em comprimentos de onda visíveis e de rádio.

Autores: C. Kathiravan, V. Muthupriyal e R. Ramesh (Instituto Indiano de Astrofísica).

1. O Problema

Um dos principais debates na física solar refere-se à distância heliocêntrica ($r$) exata na qual as ondas de choque magnetohidrodinâmicas (MHD), associadas a Ejeções de Massa Coronal (CMEs), se formam e geram explosões de rádio do tipo II.

• Limitação Observacional: A maioria das observações rotineiras de CMEs em luz branca (como as feitas pelo coronógrafo LASCO a bordo do SoHO) só começa em distâncias maiores que $1.5 R_\odot$ (raios solares) devido ao tamanho do occulter (disco que bloqueia a luz solar direta).
• Consequência: Como as explosões de rádio do tipo II frequentemente começam em frequências correspondentes a altitudes entre $1.2$e$2.0 R_\odot$, a localização exata do choque no momento do início da explosão é geralmente inferida por extrapolação de gráficos de altura-tempo, introduzindo incertezas significativas.
• Objetivo: Determinar a altura de formação do choque com maior precisão, observando o Sol em distâncias muito próximas à superfície ($r < 1.5 R_\odot$).

2. Metodologia

Os autores utilizaram uma abordagem de observação conjunta (multi-instrumento) combinando dados visuais e de rádio de alta resolução temporal e espacial:

• Observações Visíveis (VELC/ADITYA-L1):
  • Utilizaram o Coronógrafo de Linha de Emissão Visível (VELC) a bordo da missão indiana ADITYA-L1.
  • O VELC possui um occulter interno com raio de $1.05 R_\odot$, permitindo observações muito próximas à borda solar.
  • Observações foram realizadas em 27 de maio de 2024, no canal de espectroscopia da linha verde de 5303 Å, em modo "sit and stare" (fixo).
  • O foco foi na região de ângulo de posição $\approx 90^\circ - 104^\circ$ (limbo leste), onde uma CME foi detectada.
• Observações de Rádio (Gauribidanur):
  • Dados obtidos simultaneamente pelo Espectrógrafo Solar de Baixa Frequência (GLOSS) e pelo Espectropolarímetro de Rádio (GRASP) no Observatório de Gauribidanur, Índia.
  • Cobertura de frequência de 330 MHz a 10 MHz.
  • Identificação e análise de explosões de rádio do tipo II (caracterizadas por deriva lenta de alta para baixa frequência).
• Análise de Dados:
  • Correlação temporal entre o início do aumento de emissão na linha 5303 Å (indicando a CME) e o início da explosão do tipo II.
  • Cálculo da densidade eletrônica ($N_e$) usando o modelo de Newkirk (1961) para converter a frequência de início do tipo II em altura heliocêntrica.
  • Cálculo da densidade a partir do fluxo da linha de emissão visível para validação cruzada.

3. Contribuições Principais

• Primeira Detecção Conjunta Próxima ao Sol: Demonstração prática de como a combinação do VELC (com seu pequeno occulter) e observatórios de rádio terrestres pode resolver a lacuna observacional em $r < 1.5 R_\odot$.
• Validação de Modelos de Densidade: Uso de dados observacionais reais para validar o modelo de densidade de Newkirk (fator de dois) em regiões de CMEs ativas próximas ao Sol.
• Técnica de Diagnóstico: Estabelecimento de um método para determinar a altura de formação de choques MHD sem depender de extrapolações de dados de coronógrafos externos (como LASCO C2/C3).

4. Resultados

• Evento Analisado: Em 27 de maio de 2024, ocorreu uma erupção solar da classe X2.9 associada a uma CME de "halo" (inicialmente não-halo, mas expandida).
• Detecção Visual (VELC): Um aumento significativo na emissão da linha 5303 Å foi observado começando às 07:04 UT em uma altura média de $r \approx 1.18 R_\odot$.
• Detecção de Rádio: Uma explosão do tipo II foi detectada começando também às 07:04 UT, com frequência de início em $\approx 174$ MHz.
• Correlação de Altura:
  • A frequência de 174 MHz corresponde a uma altura de $r \approx 1.19 R_\odot$ no modelo de Newkirk.
  • A separação entre a borda da CME e o choque (distância de "standoff") foi estimada em $\approx 0.01 R_\odot$, consistente com previsões teóricas próximas ao Sol.
  • A densidade eletrônica derivada da linha 5303 Å ($\approx 2.2 \times 10^8 \text{ cm}^{-3}$) concordou bem com a densidade derivada da frequência de plasma de 174 MHz ($\approx 3.7 \times 10^8 \text{ cm}^{-3}$).
• Conclusão dos Dados: As observações confirmam que o choque MHD foi formado a uma altura de aproximadamente $0.19 R_\odot$ acima do limbo solar (ou seja, $r \approx 1.19 R_\odot$).

5. Significado e Implicações

• Resolução do Debate: O estudo fornece evidências observacionais diretas de que choques impulsionados por CMEs podem se formar muito próximo ao Sol ($r < 1.2 R_\odot$), muito antes do que as observações tradicionais do LASCO poderiam captar.
• Aceleração de Partículas: A compreensão precisa da altura de formação do choque é crítica para modelar a aceleração de partículas energéticas solares (SEPs) e prever eventos de "Ground Level Enhancement" (GLE) e tempestades geomagnéticas (SSC).
• Futuro da Heliofísica: O sucesso desta campanha conjunta valida a estratégia de usar missões espaciais como a ADITYA-L1 em sinergia com redes de rádio terrestres para monitorar a dinâmica solar desde a baixa coroa. Isso permitirá estudos mais precisos sobre a evolução de CMEs e a física de choques nas fases iniciais de sua propagação.

Em resumo, o artigo demonstra que a combinação de novas capacidades de coronografia espacial (VELC) com radiometria de solo permite mapear a gênese de choques solares com uma precisão sem precedentes, localizando o início da aceleração de partículas a apenas $\approx 130.000$ km acima da superfície solar.