Desaceleração interestelar: podemos navegar no ‘arco de choque estelar’ (Bow Shock)?

Coisas interessantes acontecem na borda do Sistema Solar, ou talvez, no limite da heliosfera, uma vez que o próprio Sistema Solar se estende concebivelmente (em termos de possíveis planetas) além das 100 ou mais UA que marcam o limite da heliosfera no seu ponto mais próximo.

O fato de que a heliosfera é flexível e reage, entre outras coisas, ao ciclo solar em turnos significa que o limite é um alvo em movimento. Seria útil se pudéssemos obter algo como a missão Interstellar Probe da JHU/APL bem além da heliosfera para nos ajudar a entender melhor essa morfologia.

Mas, vamos pensar nos limites da heliosfera do ponto de vista da nave espacial que chega. Porque a desaceleração no sistema de destino é um enorme problema para o planejamento de missões de naves estelares. Uma futura tripulação, humana ou robótica, poderia lançar uma vela solar para desacelerar, mas uma vela magnética (manetic sail) [2] parece bem melhor, já que seus efeitos começam mais cedo na aproximação.

Ao observarmos a imagem abaixo de Zeta Ophiuchi , no entanto, notamos outra possibilidade: o uso das interações entre as estrelas e o meio interestelar para auxiliar na desaceleração. Assim, surge outra pergunta importante: nosso próprio Sol produz um tipo semelhante arco de choque [1]?

Aqui estamos olhando para a estrela em fuga, Zeta Ophiuchi, que está a cerca de 440 anos-luz da Terra. Essa estrela possui cerca de 20 vezes a massa do Sol e, evidentemente, já esteve em uma órbita apertada em torno de outra estrela que se tornou uma supernova talvez um milhão de anos atrás. Como resultado, Zeta Ophiuchi foi ejetada de sua órbita binária, e temos dados do Telescópio Espacial Spitzer, bem como do Observatório de Raios-X Chandra, descrevendo os espetaculares efeitos posteriores. A onda de choque consiste em matéria que se afasta da superfície da estrela, transformando-se em gás. Na imagem acima, a onda de choque está em vermelho vivo e verde.

O trabalho mais recente sobre Zeta Ophiuchi vem da equipe liderada por Samuel Green (Instituto de Estudos Avançados de Dublin, Irlanda), com um artigo apresentando modelagem computacional da onda de choque e comparando os dados com dados observacionais obtidos em raios-X, óticos, comprimentos de onda do infravermelho e de rádio frequências. Seus resultados são interessantes, pois o que pode ser encontrado nos dados das emissões de raios X mostra que ela é mais brilhante do que sugere a modelagem. A bolha de emissões de raios-X aparece em azul ao redor da estrela na imagem acima. Seu brilho indica a necessidade de modelagem adicional, incluindo turbulência e aceleração de partículas.

No artigo em pauta assinado por Green et al., intitulado “Thermal emission from bow shocks. II. 3D magnetohydrodynamic models of zeta Ophiuchi”. sabemos mais sobre Zeta Ophiuchi, cuja posição – envolta pela nebulosa Sh2-27 e empurrando densas nuvens de poeira – torna natural estudar o que acontece quando uma onda de choque se desenvolve. Mas vamos voltar para interações mais mundanas, como o que acontece quando o vento solar do Sol encontra o meio interestelar. Um arco de choque [1] se forma aqui? Dependendo da velocidade relativa da heliosfera e da força do campo magnético interestelar local, tal fenômeno pode ou não ocorrer, como sugerido pelos dados da Voyager, bem como descobertas anteriores da espaçonave Interstellar Boundary Explorer (IBEX). Um arco de choque [1] foi assumido, mas estamos aprendendo que essas interações são complicadas.

Enquanto investigamos as interações de nossa heliosfera com o meio interestelar, podemos apontar numerosos arcos de choque especialmente associados a estrelas mais massivas. Na verdade, um esforço de ciência cidadã chamado The Milky Way Project trata de mapear arcos de choque, construindo nosso catálogo desses recursos astrofísicos interessantes. Aprender mais sobre como os arcos de choque [1] se formam nos levará claramente à influência dos campos magnéticos interestelares à medida que agitam os ventos estelares que encontram. A densidade e as pressões do meio e a velocidade da astrosfera da estrela determinam o resultado.

Tudo isso tem implicações para o nosso pensamento sobre certos tipos de missões interestelares. Se uma estrela forma um pára-choque de plasma e gás de alta densidade na borda de sua astrosfera, então, como Gregory Benford sugeriu (em correspondência alguns anos atrás), estamos olhando para um lugar óbvio para desacelerar uma nave estelar que se aproxima. Como observou Benford, o choque de proa produz estruturas 3D, superfícies dentro das quais se pode mover enquanto reduz a velocidade, talvez freando por meio de uma vela magnética [2]. Cada estrela produziria seu próprio ambiente de desaceleração, permitindo-nos frear sempre que possível ao longo do arco de choque [1], da astropausa (cognata da heliopausa) e do choque de terminação (termination shock).

Estamos falando de abordagens longas e em espiral para um sistema de destino com frenagem contínua da vela magnética [2] – desacelerar de velocidades interestelares não será rápido nem fácil. Mas parece claro que um tipo de missão precursora antes de enviarmos missões que são mais do que sobrevôos para outras estrelas será visitar nosso próprio ambiente de choque na borda do Sistema Solar, onde podemos aprender mais sobre o uso de superfícies de choque para desacelerar . Como Benford colocou em um e-mail:

À medida que uma nave estelar se aproxima de uma estrela, sentir as estruturas de choque será como ter um bom olho para as marés, correntes e recifes de um porto.

Gregory Benford

Para saber mais, consulte Starship Surfing: Ride the Bow Shock de 2012, onde assumimos a existência de um arco de choque [1] solar.

Tudo isso nos lembra que o meio interestelar é tudo menos uniforme. Se o Sol está atualmente perto do limite da Nuvem Interestelar Local (e sua posição exata dentro dela não é clara), as estrelas Alpha Centauri parecem estar fora dessa nuvem na direção da nuvem G, outra variação no meio. Portanto, temos outro tipo de travessia de fronteira a considerar. Diferentes densidades de hidrogênio também causam estragos no conceito Bussard ramjet. Robert Bussard assumiu densidades de hidrogênio na faixa de 1 átomo de hidrogênio por centímetro cúbico, mas se mover fora de nuvens mais densas e esse número deve cair vertiginosamente. Se você estiver pilotando um ramjet interestelar, preste atenção nas nuvens!

Fonte

Centauri Dreams: Interstellar Deceleration: Can We Ride the ‘Bow Shock’? por Paul Gilster

Artigo Científico

Green et al. “Thermal emission from bow shocks. II. 3D magnetohydrodynamic models of zeta Ophiuchi”

Para saber mais leia: Spitzer revela Zeta Ophiuchi: uma estrela fugitiva e seu arco frontal de choque

Nota [1]

O arco de choque (em inglês bow shock) é a área entre uma magnetosfera e um meio ambiente. Para as estrelas, isto tipicamente ocorre no limite entre o vento estelar e meio interestelar.

Em uma magnetosfera planetária, o bow shock é a região onde a velocidade do vento solar diminui abruptamente devido à magnetopausa planetariana. A região de bow shock na Terra está localizada a cerca de 90 mil quilômetros acima da Terra, possuindo cem a mil quilômetros de espessura.

Nota [2]

Uma vela magnética (magnetic sail) é um método proposto de propulsão de espaçonaves que usa um campo magnético estático para desviar um vento de plasma de partículas carregadas irradiadas pelo Sol ou uma estrela, transferindo assim o momento para acelerar ou desacelerar uma espaçonave. A maioria das abordagens requer pouco ou nenhum propulsor e, portanto, é uma forma de propulsão de campo. Uma vela magnética também poderia empurrar contra uma ionosfera ou magnetosfera planetária. Casos de uso importantes são: uma força modesta do vento solar sustentável por um longo período de tempo; desaceleração no meio interestelar e o vento de plasma de uma estrela de destino após viagem interestelar em velocidades relativísticas alcançadas por outros meios; e desaceleração eficiente em uma ionosfera planetária. As características do plasma para o vento solar, uma ionosfera planetária e o meio interestelar e as especificidades do projeto da vela magnética determinam o desempenho alcançável; como, empuxo, potência e massa necessárias.

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