Anomalous cosmic rays within the inner heliosphere: Observations of helium by the High Energy Telescope onboard Solar Orbiter

Este estudo apresenta as primeiras observações de hélio de raios cósmicos anômalos realizadas pelo telescópio HET a bordo da sonda Solar Orbiter no interior da heliosfera, derivando um gradiente radial médio de aproximadamente 22 ± 4%/UA entre 0,3 e 1 UA e demonstrando que esses gradientes aumentam com a intensificação da modulação solar e do ângulo de inclinação da folha de corrente heliosférica.

O essencial

Título: O Mapa do Tesouro Cósmico: Como a Solar Orbiter está desvendando os segredos do "vento" solar

Imagine que o nosso Sistema Solar é como uma grande casa. No centro, temos o Sol, que é o "chefe" da casa, constantemente soprando um vento invisível e poderoso chamado Vento Solar. Esse vento carrega consigo partículas energéticas, como se fossem folhas sendo levadas por uma tempestade.

Agora, imagine que existem dois tipos de "visitantes" que tentam entrar nessa casa:

1. Os "Turistas Locais" (Raios Cósmicos Anômalos - ACRs): Eles nascem fora da casa (no espaço interestelar), mas são puxados para dentro, acelerados pelo vento solar e ficam vagando pela sala de estar (o sistema solar interno). São como turistas que entraram, mas não conseguem sair facilmente.
2. Os "Visitantes de Longa Distância" (Raios Cósmicos Galácticos - GCRs): Eles vêm de muito, muito longe, de outras estrelas, e tentam atravessar a casa inteira.

O Mistério:
Os cientistas sempre souberam que esses "visitantes" se movem de formas estranhas. Às vezes, eles entram mais rápido por um lado da casa e mais devagar por outro. Mas, até agora, ninguém conseguiu observar de perto como eles se comportam quando estão muito perto do Sol (dentro de 1 unidade astronômica, que é a distância da Terra ao Sol). Era como tentar entender o clima de uma tempestade olhando apenas de longe, sem nunca ter entrado no olho do furacão.

A Missão: A Solar Orbiter
Para resolver esse mistério, a Europa e os EUA lançaram uma nave chamada Solar Orbiter. Pense nela como um "detetive espacial" equipado com óculos de alta tecnologia (o instrumento HET). Ela foi lançada em 2020 e viaja em uma órbita especial, aproximando-se do Sol a cada seis meses, chegando a ficar a apenas 29% da distância da Terra ao Sol.

O que eles descobriram?
Os cientistas, liderados por Zigong Xu, analisaram os dados de Hélio (um tipo de partícula) que a nave coletou entre 2020 e 2022. Eles fizeram três coisas importantes:

1. Limparam a "Lixo" Espacial: O Sol às vezes tem explosões (como erupções solares) que mandam partículas extras e bagunçam os dados. Eles filtraram esses momentos para olhar apenas para o "tempo calmo".
2. Compararam com a Terra: Eles olharam para os dados da Solar Orbiter e compararam com os dados de outras naves perto da Terra (como a SOHO e a ACE). Foi como comparar a temperatura que o detetive sentiu perto do Sol com a temperatura que um morador sentiu na varanda da Terra.
3. Mediram o "Declive": Eles queriam saber: quanto a quantidade dessas partículas aumenta ou diminui conforme nos aproximamos do Sol? Isso é chamado de gradiente radial.

Os Resultados (A Grande Revelação):
A descoberta principal foi que, quanto mais perto do Sol você vai, mais intenso é o "gradiente". Ou seja, a quantidade de partículas de Hélio muda muito mais drasticamente perto do Sol do que os cientistas esperavam.

• A Analogia da Colina: Imagine que o espaço é uma colina. Os cientistas achavam que a inclinação da colina era suave. Mas a Solar Orbiter descobriu que, perto do Sol, a colina é muito mais íngreme!
• O Efeito do "Tráfego": Eles descobriram que, conforme a atividade do Sol aumenta (mais manchas solares, mais vento), essa "colina" fica ainda mais íngreme. É como se o tráfego de partículas ficasse mais caótico e difícil de atravessar conforme o Sol "acorda" de seu sono.

Por que isso é importante?
Antes, os modelos de computador diziam que as partículas deveriam se comportar de um jeito. Mas a realidade (medida pela Solar Orbiter) mostrou que a física perto do Sol é mais complexa. O campo magnético do Sol age como um labirinto invisível, e as partículas estão tentando encontrar o caminho, desviando-se e girando de formas que ainda não entendemos totalmente.

O Futuro:
A Solar Orbiter agora está subindo para observar os "polos" do Sol (as regiões que nunca vimos de perto). Juntamente com outras missões, como a Parker Solar Probe (que voa ainda mais perto), estamos começando a montar o mapa completo de como a nossa "casa" solar funciona.

Resumo em uma frase:
Esta pesquisa usou uma nova nave espacial para descobrir que o "tráfego" de partículas energéticas perto do Sol é muito mais intenso e complexo do que imaginávamos, ajudando-nos a entender melhor como o nosso Sol protege (e afeta) todo o sistema solar.

Resumo técnico

Título: Raios Cósmicos Anômalos no Heliosfera Interior: Observações de Hélio pelo Telescópio de Alta Energia a Bordo da Solar Orbiter

1. Problema e Contexto

Os raios cósmicos anômalos (ACRs) são partículas energéticas originadas de neutros interestelares que são ionizados, acelerados na heliosfera exterior e reentram no sistema solar interno. A compreensão do transporte dessas partículas é fundamental para a física espacial, dependendo de processos como difusão, convecção, perda de energia adiabática e deriva (drift) no campo magnético interplanetário (IMF).

O problema central abordado é a falta de dados precisos sobre os gradientes radiais de ACRs na região interna da heliosfera (dentro de 1 UA), especialmente durante a transição entre os ciclos solares 24 e 25. Observações anteriores (como as da Parker Solar Probe - PSP) revelaram discrepâncias entre os gradientes medidos e as previsões teóricas, sugerindo que o ambiente magnético turbulento no interior da heliosfera difere significativamente do exterior. Além disso, a influência da modulação solar e do ângulo de inclinação da Folha de Corrente Heliosférica (HCS) sobre esses gradientes durante o mínimo solar ainda necessita de maior investigação.

2. Metodologia

O estudo utiliza dados do instrumento HET (High Energy Telescope), parte da suite EPD a bordo da sonda Solar Orbiter (SolO), focando em observações de hélio entre fevereiro de 2020 e julho de 2022.

• Seleção de Dados: Foram analisadas observações de hélio na faixa de energia de 11,1 a 49 MeV/nuc. Períodos de eventos de partículas energéticas solares (SEPs) e ejeções de massa coronal (ICMEs) foram rigorosamente removidos para isolar os raios cósmicos anômalos e galácticos (GCRs) de fundo.
• Tratamento Estatístico: Para reduzir incertezas estatísticas, os dados de quatro aberturas do HET foram combinados (assumindo distribuição isotrópica) e os canais de energia foram re-agrupados em quatro faixas (11,1-19,4; 19,4-29,5; 29,5-41,2; 41,2-49,0 MeV/nuc).
• Correção de Modulação Solar: As variações de longo prazo causadas pela modulação solar foram corrigidas utilizando dados do instrumento EPHIN a bordo do satélite SOHO (no ponto L1) como linha de base. As intensidades foram médias sobre períodos de rotação de Carrington para mitigar efeitos de curto prazo (como regiões de interação de corotação - CIRs).
• Cálculo do Gradiente: O gradiente radial ($g_r$) foi calculado ajustando a relação logarítmica entre a intensidade medida pela Solar Orbiter e a do SOHO em função da distância radial ($r$), conforme a equação: $\ln(f_{SolO}/f_{SOHO}) = g_r \cdot (r - 1)$.
• Separação de Componentes: Para isolar o gradiente dos ACRs, a contribuição dos Raios Cósmicos Galácticos (GCRs) foi estimada e subtraída utilizando o modelo BON2020 (Badhwar-O'Neill 2020).

3. Principais Contribuições

• Primeira Observação Direta: Apresenta as primeiras observações de hélio de ACRs pela Solar Orbiter na heliosfera interna (antes do máximo solar), cobrindo distâncias entre 0,3 e 1 UA.
• Validação Cruzada: Realizou uma comparação robusta dos espectros de hélio entre a Solar Orbiter, SOHO/EPHIN, ACE/SIS e o experimento LND na superfície lunar, confirmando a consistência dos dados quando a sonda estava próxima de 1 UA.
• Análise Temporal: Investigou a evolução temporal dos gradientes radiais à medida que a atividade solar aumentava do mínimo para o início do ciclo 25.

4. Resultados

• Gradientes Radiais:
  • O gradiente radial médio de hélio ACR entre 11,1 e 49 MeV/nuc foi determinado em 22 ± 4 %/UA.
  • Após a subtração da contribuição dos GCRs (estimada pelo modelo), o gradiente médio na faixa de 11,1 a 41,2 MeV/nuc aumentou para 32 ± 8 %/UA.
  • Os gradientes variam com a energia, sendo mais altos nas faixas de energia mais baixas e intermediárias após a correção dos GCRs.
• Comparação com PSP: Os resultados são consistentes, dentro das incertezas, com as medições da Parker Solar Probe (PSP) durante o mesmo mínimo solar, que relatou um gradiente de ~25 %/UA (bruto) e ~34-45 %/UA (corrigido para GCRs).
• Variação Temporal: Observou-se que os gradientes radiais aumentam à medida que a modulação solar se intensifica (aumento do número de manchas solares e do ângulo de inclinação da HCS). O gradiente médio subiu de ~15 %/UA na primeira órbita para ~29,5 %/UA na terceira órbita (valores brutos), indicando que a deriva das partículas torna-se mais restritiva conforme a heliosfera se torna mais turbulenta.
• Discrepâncias Locais: Foi identificada uma anomalia temporária na razão de intensidade (SolO/EPHIN) em novembro de 2020, possivelmente devido a estruturas magnéticas locais que afetaram diferencialmente as duas localizações, embora os dados de ICME tenham sido removidos.

5. Significância

Este trabalho fornece uma restrição crucial para os modelos de transporte de raios cósmicos na heliosfera interna. Os resultados confirmam que os gradientes radiais de ACRs são significativamente maiores dentro de 1 UA do que nas medições anteriores na heliosfera externa. Isso sugere que a estrutura do campo magnético na região interna (dominada por componentes radiais) e o aumento da inclinação da HCS durante o ciclo solar desempenham um papel fundamental na supressão da propagação de ACRs para o interior do sistema solar via processos de deriva.

As descobertas apoiam a hipótese de que, quando o ângulo de inclinação da HCS excede 30 graus, a capacidade dos ACRs de penetrar na heliosfera interna através da deriva é severamente reduzida. Os dados da Solar Orbiter, combinados com as futuras medições de latitudes mais altas e a missão IMAP, permitirão um mapeamento tridimensional completo do transporte de partículas, melhorando a compreensão da dinâmica da heliosfera e da proteção contra radiação cósmica.