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Observações durante dois sobrevôos da espaçonave Mio como parte do Projeto Internacional de Exploração de Mercúrio BepiColombo revelaram que as ondas de coro ocorrem localmente no setor do amanhecer de Mercúrio. O campo magnético de Mercúrio é cerca de 1% do da Terra, e não estava claro se as ondas de coro seriam geradas como na Terra. O presente estudo revela que as ondas do coro são a fonte motriz das auroras de raios X de Mercúrio, cujo mecanismo não foi compreendido.
Como Mercúrio é o planeta mais próximo do Sol entre os planetas do sistema solar, ele é fortemente influenciado pelo vento solar, um fluxo de plasma de alta velocidade (várias centenas de km/s) que sopra do Sol. As explorações de Mercúrio foram realizadas pela primeira vez pela espaçonave Mariner 10 em 1974 e 1975, o que revelou que Mercúrio tem um campo magnético e, portanto, uma magnetosfera, semelhante ao da Terra. Na década de 2000, a espaçonave MESSENGER forneceu uma imagem detalhada do campo magnético e da magnetosfera de Mercúrio e revelou que o centro do campo magnético de Mercúrio está deslocado para o norte a partir do centro do planeta em aproximadamente 0,2 RM (RM é o raio de Mercúrio de 2.439,7 km). A terceira exploração de Mercúrio está sendo feita atualmente pelo Projeto Internacional de Exploração de Mercúrio BepiColombo*1) graças à espaçonave Mio (Cientista do Projeto, Dr. Murakami) e ao Mercury Planetary Orbiter (MPO). Em particular, ao contrário da Mariner 10 e da MESSENGER, a sonda Mio está equipada com um conjunto completo de instrumentos de ondas de plasma (PWI, Investigador Principal Prof. Kasaba) concebidos especificamente para investigar pela primeira vez o ambiente electromagnético em torno de Mercúrio. As ondas eletromagnéticas podem acelerar com eficiência as partículas plasmáticas (elétrons, prótons, íons mais pesados); como tal, desempenham um papel importante na dinâmica magnetosférica de Mercúrio.
O presente estudo foi realizado por uma equipe de pesquisa conjunta internacional composta por cientistas da Universidade de Kanazawa, Universidade de Tohoku, Universidade de Kyoto, MagneDesign Corporation, Laboratoire de Physique des Plasmas, França, com o apoio do CNES (Agência Espacial Francesa) e do Instituto de Espaço e Ciência Astronáutica, Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA).
A espaçonave Mio, lançada em 20 de outubro de 2018, está atualmente a caminho de Mercúrio, com uma inserção final em órbita ao redor do planeta prevista para dezembro de 2025. Embora colocar Mio na órbita de Mercúrio seja tecnicamente extremamente difícil devido à forte gravidade do Sol, em comparação com Mercúrio, está programado para entrar em órbita ao redor de Mercúrio em 2025, após vários sobrevôos*2) da Terra, Vênus e Mercúrio para manobras de assistência gravitacional. Durante os sobrevôos de Mercúrio ocorridos em 1º de outubro de 2021 e 23 de junho de 2022, a espaçonave Mio se aproximou do planeta a uma altitude de aproximadamente 200 km.
A configuração retraída da sonda durante a viagem até Mercúrio não é ideal para medir ondas eletromagnéticas devido ao ruído de interferência proveniente da própria sonda. No entanto, a nave espacial Mio foi desenvolvida para reduzir tanto quanto possível o seu nível de ruído eletromagnético e, portanto, foi certificada como uma nave espacial eletromagneticamente limpa através de testes EMC*3). Sensores de campo magnético de corrente alternada que podem lidar com o ambiente escaldante de Mercúrio foram desenvolvidos em conjunto pelo Japão e pela França e permitiram as primeiras observações de ondas eletromagnéticas ao redor de Mercúrio sem serem contaminados pelo ruído da própria espaçonave. Isto revelou a geração local de ondas de coro, como aquelas que são frequentemente detectadas na magnetosfera da Terra. A existência de ondas de coro na magnetosfera de Mercúrio, que agora está confirmada, foi prevista (faixa de frequência, intensidade, etc.) desde 2000, quando o instrumento de ondas de plasma (PWI) da espaçonave Mio foi projetado.
O que mais surpreendeu a equipa internacional de investigação conjunta, incluindo o Dr. Ozaki da Universidade de Kanazawa, foi a “localidade espacial” das ondas do coro, que foram detectadas apenas numa região extremamente limitada no sector do amanhecer da magnetosfera de Mercúrio durante os dois sobrevoos. Isso significa que existe um mecanismo físico que tende a gerar ondas de coro apenas no setor alvorecer da magnetosfera de Mercúrio. A fim de investigar a causa da geração de ondas de coro no setor do amanhecer, a equipe de pesquisa conjunta internacional utilizou a teoria de crescimento não linear de ondas de coro estabelecida pelo Prof. Omura, Universidade de Kyoto, para avaliar o efeito da curvatura do campo magnético de Mercúrio, que é fortemente distorcido pelo vento solar. As linhas do campo magnético no setor noturno são esticadas pela pressão do vento solar, enquanto as linhas do campo magnético no setor amanhecer são menos afetadas, resultando em uma curvatura menor. Com base nas características das linhas do campo magnético e na teoria do crescimento não linear, revela-se que no setor do amanhecer a energia é transferida de forma eficiente dos elétrons para as ondas eletromagnéticas ao longo das linhas do campo magnético, criando condições que favorecem a geração de ondas de coro. O efeito também é confirmado numa simulação numérica do ambiente de Mercúrio utilizando um computador de alto desempenho. Neste estudo, a equipe revelou a importância das linhas do campo magnético planetário, que são fortemente afetadas pelo vento solar, no local de geração das ondas corais, graças a uma forte sinergia entre “observação de espaçonaves”, “teoria” e “simulação”. .”
Perspectivas futuras
Nas observações do sobrevôo de Mercúrio, a equipe preparou-se para o levantamento abrangente do ambiente eletromagnético usando a planejada sonda espacial Mio em órbita ao redor de Mercúrio. As ondas de coro, que se esperava serem detectadas no momento do planejamento, são observadas de forma bastante local, ou seja, no setor alvorecer de Mercúrio, o que não era esperado, e os resultados mostram diversas flutuações na magnetosfera de Mercúrio. Os dados demonstram a existência de elétrons energéticos em Mercúrio que podem gerar ondas de coro, a possibilidade de gerar elétrons ativos eficientemente acelerados por ondas de coro e a geração de auroras de raios X por elétrons que precipitam à força da magnetosfera de Mercúrio para a superfície de Mercúrio impulsionados por ondas de refrão. Estas observações terão um amplo impacto na compreensão científica do ambiente de Mercúrio. A espaçonave Mio está a caminho para realizar uma exploração abrangente de Mercúrio. Com base em observações de sobrevôo, descobrimos que a distorção do campo magnético é responsável pela geração local (ou seja, no setor do amanhecer) das ondas de coro. A exploração abrangente do ambiente eletromagnético pela espaçonave Mio na órbita de Mercúrio contribuirá não apenas para a compreensão do ambiente de plasma de toda a magnetosfera de Mercúrio, mas também para uma compreensão profunda da dinâmica magnetosférica em geral. A magnetosfera atua como uma barreira que evita radiações cósmicas potencialmente fatais nos planetas do sistema solar. A comparação dos dados de Mercúrio e da Terra fortalecerá a nossa compreensão desta importante proteção natural do nosso planeta natal.
Glossário
*1) Projeto Internacional de Exploração de Mercúrio BepiColombo
Projeto abrangente de exploração de Mercúrio usando duas sondas espaciais (Mio e MPO) pela cooperação Japão-Europa. Em particular, o Japão é responsável pela sonda magnetosfera de Mercúrio Mio, equipada com instrumentos de observação de ondas eletromagnéticas, etc.
*2) Sobrevôo
Com uma sonda espacial passando perto de um planeta. A órbita da sonda espacial deve ser alterada da maneira desejada, usando a gravidade do planeta.
*3) Teste EMC (compatibilidade eletromagnética)
Teste de avaliação para verificar se é emitido ruído eletromagnético desnecessário e se o equipamento foi projetado e fabricado de forma que não funcione mal mesmo que receba ruído eletromagnético indesejado.
Referência
Autores: Mitsunori OZAKI, Satoshi YAGITANI, Yasumasa KASABA, Yoshiya KASAHARA, Shoya MATSUDA, Yoshiharu OMURA, Mitsuru HIKISHIMA, Fouad SAHRAOUI, Laurent MIRIONI, Gérard CHANTEUR, Satoshi KURITA, Satoru NAKAZAWA, Go MURAKAMI. Título: Ondas em modo Whistler na magnetosfera de Mercúrio observadas por BepiColombo/Mio Journal: Astronomia da Natureza Publicado on-line em 14 de setembro de 2023 DOI: 10.1038/s41550-023-02055-0 URL: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02055-0
Financiadores
Este trabalho foi apoiado pela JSPS KAKENHI (nº JP20H02162), a Fundação Mitani para Pesquisa e Desenvolvimento.
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