Para muitos estudantes de pós-graduação, acordar ao meio-dia depois de dormir às 4 da manhã é sinal de uma noite bem aproveitada. Para um grupo de estudantes do MIT, era simplesmente o início do seu dia de trabalho — sincronizado não com o sol, mas com a aurora boreal.

O objetivo deles era simples: estudar fenômenos de plasma usando a aurora boreal como um laboratório natural. O processo, nem tanto; trabalhando praticamente na escuridão em Fairbanks, no Alasca, os estudantes realizaram experimentos em temperaturas que chegaram a -25 graus Fahrenheit, usando lanternas de cabeça vermelhas para visibilidade. O sol se punha antes das 15h, e mesmo nos momentos mais quentes, as temperaturas mal chegavam a -7 graus Celsius.

A aurora boreal oferece uma oportunidade rara de observar o comportamento do plasma diretamente, já que partículas carregadas que interagem com o campo magnético da Terra produzem estruturas visíveis em grande escala no céu noturno. Como Fairbanks está situada sob uma região de atividade auroral especialmente frequente, é um dos lugares mais confiáveis do mundo para observar esses fenômenos, embora as condições apresentem limitações reais. 

Para começar, o frio extremo afetou diretamente os instrumentos. "Nossos laptops passaram de bateria cheia para quase vazia em 10 minutos por causa do frio", diz Leonardo Corsaro, estudante de doutorado em física no Centro de Ciência e Fusão de Plasma (PSFC) do MIT. "Estávamos tentando transferir dados o mais rápido possível antes que tudo desligasse; era uma corrida contra o tempo!"

Os desafios iam além do próprio frio. "O frio pode ser controlado", diz Leon Nichols, estudante de doutorado em física no PSFC. "Com um bom planejamento, é possível ficar confortável a -20°C. A verdadeira dificuldade era a locomoção para instalar as câmeras longe das estradas. Caminhar na neve espessa pode queimar até 900 calorias em uma hora. Usamos esquis de fundo para acessar alguns dos terrenos mais remotos, que levariam horas para alcançar de outra forma."

Mas as condições valeram muito a pena: durante sua estadia no Alasca, o grupo testemunhou a tempestade solar mais forte das últimas duas décadas, dando vida à aurora boreal de maneiras que poucos terão a oportunidade de presenciar. "Parecia que éramos os únicos ali", relata Sydney Menne, estudante de doutorado em ciência e engenharia nuclear, "isolados da Terra e completamente cercados pela aurora, totalmente imersos nela." 

A equipe obteve acesso às instalações de observação do Campo de Pesquisa Poker Flat por meio do Instituto Geofísico da Universidade do Alasca Fairbanks. Ao longo da viagem, os alunos implantaram vários sistemas de câmeras de céu total a distâncias de até 160 quilômetros, permitindo observações simultâneas de estruturas aurorais de diferentes locais. Essas câmeras, que capturam imagens de 360 graus do céu noturno, foram combinadas com magnetômetros para correlacionar as características visuais da aurora com as mudanças no campo magnético da Terra. 

Combinando imagens espacialmente distribuídas com medições de campo magnético, a equipe buscou capturar como as estruturas aurorais mudam no espaço, com o objetivo a longo prazo de apoiar reconstruções tridimensionais da aurora. A campanha deste ano também expandiu as medições para além da obtenção de imagens, utilizando detectores de múons para explorar possíveis correlações entre a atividade auroral visível, mudanças no campo magnético e detecções de partículas, oferecendo uma possível janela para a compreensão de como partículas de alta energia na alta atmosfera se relacionam com a atividade auroral visível.

Apesar de décadas de estudo, muitos aspectos da aurora boreal permanecem pouco compreendidos, e cada observação oferece uma oportunidade para melhor caracterizar o comportamento do plasma no espaço próximo à Terra. A equipe também observou uma aurora pulsante, um fenômeno relativamente raro no qual faixas de luz que se estendem pelo céu piscam várias vezes por segundo. Combinando instrumentos não tradicionalmente aplicados a esses problemas e implantando sistemas de baixo custo em larga escala, a equipe está explorando novas abordagens para o estudo desses fenômenos. Os insights obtidos a partir dessas observações podem ajudar a aprimorar nossa compreensão do clima espacial, incluindo como a atividade solar afeta satélites, sistemas de comunicação e infraestrutura de energia na Terra.

Para alguns participantes, a experiência reformulou a maneira como pensam sobre a própria física de plasmas. Corsaro explica: “Na minha pesquisa, é fácil associar esses fenômenos a gráficos coloridos e simulações, perdendo o contato com o processo físico. Ver estruturas na aurora, correntes elétricas e fluxos se formando e se deslocando acima de nós, trouxe um senso de realidade a esses conceitos e serviu como um lembrete de que os plasmas reais são muito menos organizados e intuitivos do que a teoria sugere.”

A experiência faz parte de um esforço mais amplo. Este grupo de estudantes representou a terceira edição da Expedição de Observação de Plasma Geofísico (GPOE, na sigla em inglês), um projeto que envolve estudantes do Centro de Ciência de Plasma e Fusão do MIT, juntamente com departamentos colaboradores, e que envia uma turma para Fairbanks, no Alasca, todos os anos. Atualmente, professores docentes oferecem suporte à expedição, enquanto a continuidade é mantida por meio de sua estrutura liderada pelos estudantes, com cada turma incluindo uma mistura de participantes veteranos e novatos. A expedição é organizada e liderada inteiramente por estudantes e opera em um cronograma intensivo e comprimido. Os estudantes são responsáveis não apenas pela coleta de dados, mas também pelo projeto dos instrumentos, seleção do local, logística e pós-processamento, concluindo um ciclo completo de pesquisa em questão de meses.

O grupo deste ano incluiu os estudantes de pós-graduação Leonardo Corsaro e Leon Nichols do PSFC; Sydney Menne do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear; e Noah Wolfe e Oleksandra “Sasha” Lukina do Laboratório do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) e do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. O grupo foi acompanhado pelo Professor Matthew Evans, professor de física do MIT, afiliado ao Laboratório LIGO e ao Instituto Kavli. 

O programa em si tem origens relativamente recentes e um tanto incomuns. Tudo começou em 2023, quando o estudante de pós-graduação Shon Mackie, frustrado com a falta de oportunidades práticas para diagnóstico de plasma, percebeu que o ciclo solar estava se aproximando do seu pico e viu uma oportunidade de estudar os fenômenos de plasma mais diretamente. Ele elaborou uma breve proposta para a liderança do PSFC, e a resposta do então diretor Dennis Whyte foi de duas linhas: “Parece legal, literalmente! O PSFC vai financiar isso.” 

Desde o seu lançamento em 2023, o GPOE evoluiu de um esforço com uma única câmera para uma campanha com múltiplos instrumentos e locais, com participação crescente, em que cada grupo se baseia no trabalho dos anos anteriores, refinando a instrumentação, expandindo a cobertura observacional e melhorando as estratégias de coleta de dados. 

Essa abordagem prática e centrada no aluno também criou oportunidades para estender a experiência para além do MIT. Em 2024, o programa expandiu-se para incluir uma nova colaboração de extensão com o Museu do MIT e a Colaboração MIT Nord Anglia, trazendo aproximadamente 65 alunos do ensino médio de cerca de 20 escolas do mundo todo para o MIT para ajudar a projetar e construir componentes dos sistemas de câmeras de céu total usados ??em campo. Trabalhando dentro de um conjunto de restrições técnicas, os alunos desenvolveram e testaram projetos, produzindo, ao final, 13 câmeras que foram implantadas durante a expedição ao Alasca.

O programa também começou a produzir resultados além da própria expedição. Os alunos apresentaram seus trabalhos em importantes conferências, incluindo a União Geofísica Americana, e publicaram descobertas em periódicos revisados por pares, como o Earth and Space Science . O projeto de baixo custo da câmera e do magnetômetro para observação de todo o céu, desenvolvido pelo grupo, está sendo adotado por outras equipes de pesquisa e iniciativas de ciência cidadã, ampliando seu impacto para além do MIT.

Para além dos objetivos científicos, os participantes enfatizaram o impacto mais amplo da experiência. 

“Ficar de pé ao ar livre à meia-noite no Alasca, olhando para as camadas de plasma brilhante que se estendem por milhares de quilômetros no céu, realmente nos faz perceber o quão pequeno e delicado é o nosso lugar no universo”, diz Ball. 

À medida que o programa continua a crescer, os alunos esperam expandir tanto suas capacidades técnicas quanto seu alcance, incluindo instrumentação mais permanente e parcerias de divulgação científica mais amplas. Para muitos dos envolvidos, a expedição representa não apenas uma oportunidade de pesquisa, mas também um lembrete da escala e da iminência dos fenômenos que estudam.

“A ciência é uma aventura”, diz Corsaro. “Esse tipo de trabalho nos lembra por que nos tornamos cientistas em primeiro lugar.”