La Heliosfera de nuestro Sol.

Como sopla el viento solar, nuestros balones de heliosfera.
Una ilustración que representa las capas de la heliosfera. Créditos: NASA / IBEX / Adler Planetarium.

¿Qué sucede cuando el viento solar de repente comienza a soplar significativamente más fuerte? Según dos estudios recientes, los límites de todo nuestro sistema solar se proyectan hacia afuera, y un análisis de las partículas que se desprenden de sus bordes revelará su nueva forma.

A finales de 2014, la nave espacial de la NASA detectó un cambio sustancial en el viento solar. Por primera vez en casi una década, la presión del viento solar, una medida combinada de su velocidad y densidad, había aumentado aproximadamente un 50 por ciento y se mantuvo así durante varios años a partir de entonces. Dos años más tarde, la nave interestelar Boundary Explorer, o IBEX, detectó el primer signo de la secuela. Las partículas de viento solar del aumento de presión de 2014 habían alcanzado el borde de la heliósfera, se habían neutralizado y habían disparado hasta la Tierra y tenían una historia que contar.

En dos artículos recientes, los científicos utilizaron datos de IBEX junto con modelos numéricos sofisticados para comprender lo que estos átomos rebotando pueden decirnos sobre la forma y estructura en evolución de nuestra heliosfera, la burbuja gigante tallada por el viento solar.

"Los resultados muestran que el aumento de la presión del viento solar de 2014 se ha propagado desde el Sol a la heliosfera externa, transformándose y expandiendo los límites de nuestra heliosfera en su dirección más cercana", dijo David McComas, investigador principal de la misión IBEX en la Universidad de Princeton en Princeton. , New Jersey. "Los datos de IBEX que se lanzarán en los próximos años nos permitirán registrar la expansión y la evolución de la estructura de las otras porciones de los límites exteriores de la heliosfera".

Del Sol al borde del sistema solar  y de vuelta.
En el quid de la historia están los átomos neutros energéticos: partículas de alta energía producidas en el mismo borde de nuestro sistema solar.

A medida que el viento solar fluye desde el Sol a velocidades supersónicas, explota una burbuja conocida como heliosfera. La heliosfera encierra todos los planetas de nuestro sistema solar y gran parte del espacio que los separa, separando el dominio de nuestro Sol del espacio interestelar.

Pero el viaje del viento solar desde el Sol no es un viaje suave. En su camino hacia el borde mismo de nuestra heliosfera, conocida como la heliopausa, el viento solar pasa a través de distintas capas. El primero de estos se conoce como el choque de terminación (Termination Shock).


Este vídeo explica cómo una partícula de viento solar se convierte en un átomo neutro energético detectado por IBEX.
Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA

Antes de pasar el choque de terminación, el viento solar se expande rápidamente, en gran medida sin impedimentos por material externo.

"Pero en el choque de finalización, aproximadamente a 9.300 millones de millas (14.880 millones de kilómetros) de distancia de nosotros en todas direcciones, el viento solar se ralentiza abruptamente. Más allá de este punto, continúa moviéndose hacia afuera, pero es mucho más caliente ", dijo Eric Zirnstein, autor principal de uno de los periódicos de Princeton.

Una vez que sobrepasa el choque de terminación, las partículas del viento solar ingresan a una zona especial de limbo conocida como heliosheath. Mientras que el choque de terminación es esencialmente esférico, se piensa que los bordes de la heliosfera describen más un arco alrededor del Sol a medida que se mueve a través del espacio, más cerca del Sol hacia adelante y extendiéndose detrás de él, no muy diferente de un cometa con un cola. A lo largo de estos límites, las partículas del viento solar se mezclan con las partículas del espacio interestelar. Las colisiones son inevitables: las partículas de viento solar calientes y cargadas eléctricamente chocan contra los átomos neutros más lentos y fríos del espacio interestelar, robando un electrón y volviéndose neutrales.

"Desde allí viajan balísticamente a través del espacio, y algunos hacen todo el camino de vuelta a la Tierra", dijo Zirnstein. "Estos son los átomos neutros energéticos que IBEX observa".

A finales de 2016, cuando el generador de imágenes del átomo neutro y energético del IBEX comenzó a captar una señal inusualmente fuerte, el Profesor McComas y su equipo se propusieron investigar su causa. Sus hallazgos aparecen en un artículo publicado el 20 de marzo de 2018 en Astrophysical Journal Letters, enlace publicación.

Los átomos neutros energéticos venían de unos 30 grados al sur de la dirección interestelar de ceñida, donde se sabía que la heliosheath era la más cercana a la Tierra.

Para cuantificar su conexión con el aumento de la presión solar del viento de 2014, McComas y su equipo recurrieron a simulaciones numéricas, para determinar cómo ese aumento de presión podría afectar los átomos neutros energéticos que observa el IBEX.

 "Este tipo de simulaciones involucran un modelo para la física, que luego se convierte en ecuaciones, que a su vez se resuelven en una supercomputadora", dijo Jacob Heerikhuisen, coautor de ambos documentos en la Universidad de Alabama en Huntsville.

Utilizando modelos de computadora, el equipo simuló una heliosfera completa, la sacudió con un aumento de la presión del viento solar y dejó que corriera los números. La simulación completó una historia solo insinuada por los datos.

Según la simulación, una vez que el viento solar golpea el choque de terminación crea una onda de presión. Esa ola de presión continúa hasta el borde de la heliosfera y rebota parcialmente hacia atrás, forzando a las partículas a colisionar dentro del entorno de heliosheath (ahora mucho más denso) que acaba de atravesar. Ahí es donde nacieron los átomos neutros energéticos que IBEX observó.

Las simulaciones proporcionaron un caso convincente: el IBEX efectivamente estaba observando los resultados del aumento de la presión solar del viento de 2014, más de dos años después.

Pero la simulación no se detuvo allí. También reveló que el aumento de la presión del viento solar en 2014, con el tiempo, continuaría haciendo estallar la heliosfera aún más. Tres años después de que la presión del viento solar aumentara, para cuando se publicó el artículo, el choque de terminación, la burbuja interna dentro de la heliosfera, debería expandirse en siete unidades astronómicas, o siete veces la distancia de la Tierra al Sol. La heliopausa, la burbuja exterior, debe expandirse en dos unidades astronómicas, con dos adicionales el año siguiente.

En resumen, al aumentar la presión del viento solar, nuestra heliosfera es hoy más grande que hace unos pocos años.

La nueva forma de la heliosfera.
Después de un pico inicial, los átomos neutros energéticos deberían volver a llover sobre el IBEX, formando un anillo que se expande a través del tiempo con el tiempo. Créditos: Eric Zirnstein.


McComas y sus colegas estudiaron los primeros signos del aumento de la presión del viento solar en 2014. Pero ver los datos en los próximos años puede decirnos aún más, esta vez sobre la evolución de la forma de nuestra heliosfera.

"Ha habido muchos estudios, algunos desde hace bastante tiempo, que predicen cómo debería ser la forma de la heliosfera", informa Zirnstein, el autor principal del artículo. "Pero aún está en debate en la comunidad de modelos. Esperamos que el aumento de la presión solar del viento de 2014 pueda ayudar con eso ".

Utilizando los mismos datos y simulaciones utilizados en el documento anterior, Zirnstein y sus colegas hicieron avanzar el reloj, modelando la heliosfera ocho años después del aumento de la presión del viento solar en 2014. Los resultados describen no solo el pasado, sino también el modelo del futuro. El documento fue publicado el 30 de mayo de 2018 en The Astrophysical Journal, enlace publicación.

"Lo que creemos que deberíamos ver en el futuro cercano es un anillo, que se expande por el cielo, marcando el cambio en el flujo de átomos neutros energéticos con el tiempo", dijo Zirnstein. "Este anillo se expande desde el punto de contacto inicial en la heliosfera exterior, hacia las direcciones de la heliotail".

Aunque la señal inicial detectada por el IBEX en 2016 fue un círculo sólido, no se mantendrá así. A medida que el viento solar de 2014 llega a puntos de la heliopausa cada vez más lejos, tardan más tiempo en recuperarse, como un eco de un muro lejano. La forma redondeada de la heliosfera hace que este eco se refleje en forma de anillo.

Pero el hallazgo clave vino de mirar el anillo a medida que se expande.

En su simulación, Zirnstein y sus colegas encontraron que la velocidad exacta a la que se expande el anillo dependía en parte de las distancias entre las diversas capas de la heliosfera: el choque de terminación, la heliopausa y la parte de la heliopausa donde se producían los neutros energéticos. . Zirnstein se dio cuenta de que había encontrado una nueva forma de medir el tamaño y la forma de la heliosfera.

"Podríamos estimar las distancias a los diferentes límites de la heliosfera con solo mirar este anillo cambiando con el tiempo en el cielo", dijo Zirnstein.

Logotipo de la NASA.


Zirnstein y sus colegas usaron su heliosfera simulada para ejecutar un estudio de prueba. Al medir la tasa de expansión del anillo (y conectarlo a las ecuaciones correctas), podrían reproducir con precisión las distancias a las estructuras clave dentro de su heliosfera simulada. Como sabían cuáles eran esas distancias en su simulación, podían verificar su trabajo, validando que la técnica obtuviera las respuestas correctas y que fuera precisa cuando se aplicaba a la heliosfera real.

Las deformidades en el anillo (desviaciones de un círculo perfecto) también podrían revelar asimetrías en la forma general de la heliosfera. "Depende de cuán simétrica o asimétrica sea la heliosfera", agregó Zirnstein. "Si la heliosfera era una 'forma de cometa' ideal, el anillo debería expandirse simétricamente con el tiempo. Pero en realidad eso probablemente no va a suceder, tendremos que esperar y ver qué nos dice IBEX ".

Zirnstein expresó entusiasmo sobre la posibilidad de aprender la verdadera forma de la heliosfera.

"En los próximos años con más datos de IBEX, espero que podamos construir una imagen en 3D de la forma de la heliosfera", dijo Zirnstein.

Los resultados de estos dos estudios tienen implicaciones prácticas importantes. "Conectar los cambios en el Sol con observaciones de átomos neutros energéticos nos ayudará a entender los cambios a largo plazo en las condiciones peligrosas para el entorno de radiación espacial, una especie de clima espacial en oposición al clima espacial", dijo McComas. "A medida que el viento solar sopla más y menos duro, y nuestra burbuja solar se expande y contrae, lo que afecta directamente la cantidad de rayos cósmicos que pueden entrar en la heliosfera, lo que puede poner en peligro a los astronautas en vuelos espaciales de larga duración".

Pero los resultados también subrayan el increíble poder de nuestra estrella más cercana. Los cambios en el Sol, incluido el viento solar, tienen consecuencias importantes que se extienden miles de millones de kilómetros hacia el espacio donde, hasta la fecha, solo las dos naves espaciales Voyager alguna vez se han aventurado. Con técnicas como la imagen enérgica del átomo neutro, no podemos solo imaginar, sino medir con precisión estas partes lejanas de la heliosfera: nuestro hogar en la galaxia.

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Última actualización: 6 de junio de 2018, enlace publicación en NASA.
Editor: Rob Garner