El problema del calentamiento coronal del Sol.
La Sonda Solar Parker de la NASA.
Un misterio de 150 años de edad.
Explicando los secretos de la corona.
Descubriendo la evidencia.
Una vez que Parker Solar Probe llega a la corona, ¿cómo ayudará a los científicos a distinguir si las ondas o los nanoflares generan calor? Mientras que la nave espacial lleva cuatro suites de instrumentos para una variedad de tipos de investigación, dos en particular obtendrán datos útiles para resolver el misterio de la calefacción coronal: el experimento FIELDS y SWEAP.
Los descubrimientos están por venir.
Por Lina Tran
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| Sobre la superficie, la corona (ilustrada aquí) se extiende por millones de millas y se revuelve con plasma. Eventualmente, continúa hacia afuera como el viento solar, una corriente de plasma supersónica que permea todo el sistema solar. Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA / Lisa Poje / Genna Duberstein. |
Algo misterioso está sucediendo en el Sol. Desafiando toda lógica, su atmósfera se calienta mucho, mucho más cuanto más se alejas de la superficie ardiente del Sol.
Las temperaturas en la corona, la capa más tenue y más exterior de la atmósfera solar, se elevan a más de 2 millones de grados Fahrenheit, mientras que a solo 1.000 millas por debajo, la superficie subyacente hierve a 10.000 grados centígrados. Cómo el Sol logra esta hazaña sigue siendo uno de las mejores preguntas sin respuesta en astrofísica; los científicos lo llaman el problema de calentamiento coronal. Una nueva misión emblemática, la sonda solar Parker de la NASA, programada para su lanzamiento no antes del 11 de agosto de 2018, volará a través de la propia corona, buscando pistas sobre su comportamiento y ofreciendo la oportunidad a los científicos para resolver este misterio.
Desde la Tierra, tal como lo vemos en luz visible, la apariencia del Sol, tranquila, inmutable, desmiente la vida y el drama de nuestra estrella más cercana. Su superficie turbulenta se ve sacudida por erupciones e intensas ráfagas de radiación, que arrojan material solar a velocidades increíbles a cada rincón del sistema solar. Esta actividad solar puede desencadenar eventos meteorológicos espaciales que tienen el potencial de interrumpir las comunicaciones de radio, dañar a los satélites y astronautas, y en su forma más severa, interferir con las redes eléctricas.
Sobre la superficie, la corona se extiende por millones de millas y se agita con plasma, los gases se sobrecalientan tanto que se separan en un flujo eléctrico de iones y electrones libres. Eventualmente, continúa hacia afuera como el viento solar, una corriente de plasma supersónica que permea todo el sistema solar. Y entonces, es que los humanos viven bien dentro de la atmósfera extendida de nuestro Sol. Comprender completamente la corona y todos sus secretos es comprender no solo la estrella que impulsa la vida en la Tierra, sino también el espacio que nos rodea.
Un misterio de 150 años de edad.
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| La mayor parte de lo que sabemos sobre la corona está profundamente arraigada en la historia de los eclipses solares totales. Parker Solar Probe volará a través de esta misma región, en busca de pistas sobre el comportamiento del Sol. Esta foto fue tomada en Madras, Oregón, durante el eclipse solar total del 21 de agosto de 2017. Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA / Gopalswamy. |
La mayor parte de lo que sabemos sobre la corona está profundamente arraigada en la historia de los eclipses solares totales. Antes de instrumentos sofisticados y naves espaciales, la única forma de estudiar la corona desde la Tierra era durante un eclipse total, cuando la Luna bloquea la cara brillante del Sol, revelando la corona circundante y más tenue.
La historia del problema del calentamiento coronal comienza con una línea espectral verde observada durante un eclipse total de 1.869. Debido a que diferentes elementos emiten luz a longitudes de onda características, los científicos pueden usar espectrómetros para analizar la luz del Sol e identificar su composición. Pero la línea verde observada en 1.869 no se correspondía con ningún elemento conocido de la Tierra. Los científicos pensaron que tal vez habían descubierto un nuevo elemento y lo llamaron "coronium".
No fue sino hasta 70 años después que un físico sueco descubrió que el elemento responsable de la emisión es el hierro, sobrecalentado hasta el punto de que se ioniza 13 veces, dejándolo con solo la mitad de los electrones de un átomo normal de hierro. Y ahí radica el problema: los científicos calcularon que niveles tan altos de ionización requerirían temperaturas coronales de alrededor de 2 millones de grados Fahrenheit, casi 200 veces más calientes que la superficie.
Durante décadas, esta línea verde engañosamente simple ha sido la Mona Lisa de la ciencia solar, desconcertando a los científicos que no pueden explicar su existencia. Desde que identificamos su origen, hemos llegado a comprender que el rompecabezas es aún más complejo de lo que parecía.
"Pienso en el problema del calentamiento coronal como un paraguas que cubre un par de problemas confusos relacionados", dijo Justin Kasper, científico espacial de la Universidad de Michigan en Ann Arbor. Kasper es también el investigador principal de SWEAP, abreviatura de Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, una suite de instrumentos a bordo de Parker Solar Probe. "Primero, ¿cómo se calienta la corona tan rápido? Pero la segunda parte del problema es que no solo comienza, sino que continúa. Y no solo continúa la calefacción, sino que diferentes elementos se calientan a diferentes velocidades ". Es una sugerencia intrigante de lo que está sucediendo con la calefacción en el sol.
Desde que descubrieron la corona caliente, los científicos e ingenieros han hecho un gran trabajo para comprender su comportamiento. Han desarrollado poderosos modelos e instrumentos y lanzado naves espaciales que miran el Sol durante todo el día. Pero incluso los modelos más complejos y las observaciones de alta resolución solo pueden explicar parcialmente el calentamiento coronal, y algunas teorías se contradicen entre sí. También está el problema de estudiar la corona desde lejos.
Podemos vivir dentro de la atmósfera expansiva del Sol, pero la corona y el plasma solar en el espacio cercano a la Tierra difieren drásticamente. Le toma al lento viento solar alrededor de cuatro días para viajar 93 millones de millas y llegar a la Tierra o a la nave espacial que lo estudia: suficiente tiempo para que se mezcle con otras partículas que pasan por el espacio y pierden sus características definitorias.
Estudiar esta sopa homogénea de plasma en busca de pistas para el calentamiento coronal es como tratar de estudiar la geología de una montaña, tamizando los sedimentos en un delta fluvial a miles de kilómetros río abajo. Al viajar a la corona, Parker Solar Probe muestreará partículas recién calentadas, eliminando las incertidumbres de un viaje de 93 millones de millas y devolviendo a la Tierra las mediciones más prístinas de la corona jamás registradas.
"Todo nuestro trabajo a lo largo de los años ha culminado hasta este punto: nos dimos cuenta de que nunca podemos resolver completamente el problema del calentamiento coronal hasta que enviemos una sonda para realizar mediciones en la propia corona", dijo Nour Raouafi, científico adjunto del proyecto Parker Solar Probe y físico solar en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland.
Viajar al Sol es una idea más antigua que la propia NASA, pero le ha llevado décadas diseñar la tecnología que hace posible su viaje. En ese momento, los científicos han determinado exactamente qué tipos de datos, y los instrumentos correspondientes, necesitan para completar una imagen de la corona y responder a esta última pregunta candente.
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| Un primer plano del movimiento convectivo o hirviente del Sol, con una pequeña mancha solar formando a la derecha, de Hinode, una colaboración entre la NASA y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA). Las capas externas del Sol constantemente hierven y revolotean con energía mecánica. Este movimiento fluido genera campos magnéticos complejos que se extienden hasta la corona. Créditos: NASA / JAXA / Hinode. |
Parker Solar Probe probará dos teorías principales para explicar el calentamiento coronal. Las capas externas del Sol constantemente hierven y revolotean con energía mecánica. A medida que las células masivas de plasma cargado se agitan a través del Sol -como las distintas burbujas se enrollan a través de una olla de agua hirviendo- su movimiento fluido genera campos magnéticos complejos que se extienden hasta la corona. De alguna manera, los campos enmarañados canalizan esta energía feroz hacia la corona en forma de calor; cómo lo hacen es lo que cada teoría intenta explicar.
Una teoría propone que las ondas electromagnéticas son la raíz del calor extremo de la corona. Tal vez ese movimiento hirviente libera ondas magnéticas de cierta frecuencia, llamadas ondas de Alfvén, desde lo más profundo del Sol hacia la corona, que envían partículas cargadas que giran y calientan la atmósfera, un poco como las olas empujan y aceleran a los surfistas hacia la orilla.
Otro sugiere explosiones parecidas a bombas, llamadas nanoflares, a través del calor del vertedero de la superficie del Sol hacia la atmósfera solar. Al igual que sus contrapartes más grandes, las erupciones solares, nanoflares se cree que son el resultado de un proceso explosivo llamado reconexión magnética. La ebullición turbulenta en el Sol retuerce y contorsiona las líneas del campo magnético, aumentando el estrés y la tensión hasta que se rompen explosivamente, como romper una banda elástica sobrecargada, acelerando y calentando partículas a su paso.
Las dos teorías no son necesariamente mutuamente excluyentes. De hecho, para complicar las cosas, muchos científicos piensan que ambos pueden estar involucrados en el calentamiento de la corona. A veces, por ejemplo, la reconexión magnética que activa un nanoflare también podría lanzar ondas Alfvén, que luego calientan más el plasma circundante.
La otra gran pregunta es, ¿con qué frecuencia ocurren estos procesos, constantemente o en distintas explosiones? Responder eso requiere un nivel de detalle que no tenemos desde 93 millones de millas de distancia.
"Nos acercamos a la calefacción, y hay veces en que Parker Solar Probe gira en rotación, u orbita el Sol a la misma velocidad que el Sol mismo gira", dijo Eric Christian, un científico espacial en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, y miembro del equipo de ciencia de la misión. "Esa es una parte importante de la ciencia. Al pasar el cursor sobre el mismo lugar, veremos la evolución de la calefacción ".
Descubriendo la evidencia.
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| Ilustración de Parker Solar Probe que circunda el sol. Crédito: NASA / JHUAPL. |
El topógrafo de fuerzas invisibles, FIELDS, dirigido por la Universidad de California, Berkeley, mide directamente los campos eléctricos y magnéticos, para comprender los choques, las olas y los eventos de reconexión magnética que calientan el viento solar.
SWEAP - dirigido por el Observatorio Astrofísico Harvard-Smithsonian en Cambridge, Massachusetts - es la mitad complementaria de la investigación, recabando datos sobre el plasma caliente en sí. Cuenta las partículas más abundantes en el viento solar (electrones, protones e iones de helio) y mide su temperatura, qué tan rápido se mueven después de haber sido calentadas y en qué dirección.
Juntos, los dos conjuntos de instrumentos pintan una imagen de los campos electromagnéticos que se piensa que son responsables del calentamiento, así como de las partículas solares recién calentadas que giran a través de la corona. La clave de su éxito son las mediciones de alta resolución, capaces de resolver las interacciones entre las ondas y las partículas en meras fracciones de segundo.
Parker Solar Probe se lanzará a 3,9 millones de millas de la superficie del Sol, y aunque esta distancia puede parecer grande, la nave espacial está bien posicionada para detectar señales de calentamiento coronal. "Aunque los eventos de reconexión magnética ocurren más abajo cerca de la superficie del Sol, la nave espacial verá el plasma justo después de que ocurran", dijo la científica solar de Goddard, Nicholeen Viall. "Tenemos la oportunidad de colocar nuestro termómetro en la corona y observar cómo sube la temperatura. Compare eso con el estudio del plasma que se calentó hace cuatro días desde la Tierra, donde muchas de las estructuras tridimensionales y la información sensible al tiempo se eliminan ".
Esta parte de la corona es un territorio completamente inexplorado, y los científicos esperan vistas diferentes a cualquier cosa que hayan visto antes. Algunos piensan que el plasma será tenue y tenue, como cirros. O tal vez parezca estructuras masivas similares a un limpiador de tuberías que irradian del sol.
"Estoy bastante seguro de que cuando recuperemos esa primera ronda de datos, veremos que el viento solar a menores altitudes cerca del Sol es puntiagudo e impulsivo", dijo Stuart Bale, astrofísico de la Universidad de California en Berkeley e investigador principal de FIELDS. . "Pondría mi dinero en que los datos son mucho más emocionantes que lo que vemos cerca de la Tierra".
Los datos son lo suficientemente complicados, y provienen de múltiples instrumentos, que los científicos necesitarán tiempo para armar una explicación para el calentamiento coronal. Y debido a que la superficie del Sol no es lisa y varía a lo largo, Parker Solar Probe necesita hacer múltiples pases sobre el Sol para contar toda la historia. Pero los científicos confían en que tiene las herramientas para responder sus preguntas.
La idea básica es que cada mecanismo propuesto para la calefacción tiene su propia firma distintiva. Si las ondas de Alfvén son la fuente del calor extremo de la corona, FIELDS detectará su actividad. Como los iones más pesados se calientan a ritmos diferentes, parece que diferentes clases de partículas interactúan con esas ondas de maneras específicas; SWEAP caracterizará sus interacciones únicas.
Si los nanoflares son responsables, los científicos esperan ver chorros de partículas aceleradas disparando en direcciones opuestas, un signo revelador de una reconexión magnética explosiva. Donde ocurre la reconexión magnética, también deben detectar los puntos calientes donde los campos magnéticos están cambiando rápidamente y calentando el plasma circundante.
El problema del calentamiento coronal sigue siendo una de las mayores preguntas sin respuesta en astrofísica. Descubra cómo los astrónomos descubrieron por primera vez la evidencia de este misterio durante un eclipse en el siglo XIX, y lo que los científicos actuales piensan que podría explicarlo. Créditos: Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA / Joy Ng.
Hay un entusiasmo y emoción que zumba entre los científicos solares: la misión de Parker Solar Probe marca un momento decisivo en la historia de la astrofísica, y tienen una posibilidad real de descifrar los misterios que han confundido su campo durante casi 150 años.
Al unir el funcionamiento interno de la corona, los científicos alcanzarán una comprensión más profunda de la dinámica que provoca los eventos meteorológicos espaciales, dando forma a las condiciones en el espacio cercano a la Tierra. Pero las aplicaciones de esta ciencia se extienden más allá del sistema solar también. El Sol abre una ventana hacia la comprensión de otras estrellas, especialmente aquellas que también exhiben calor similar al Sol, estrellas que potencialmente podrían fomentar ambientes habitables, pero que están demasiado lejos para estudiarse. E iluminar la física fundamental de los plasmas podría enseñar a los científicos mucho sobre cómo se comportan los plasmas en otras partes del universo, como en cúmulos de galaxias o alrededor de agujeros negros.
También es completamente posible que ni siquiera hayamos concebido los mayores descubrimientos por venir. Es difícil predecir cómo resolver la calefacción coronal cambiará nuestra comprensión del espacio que nos rodea, pero los descubrimientos fundamentales como este tienen la capacidad de cambiar la ciencia y la tecnología para siempre. El viaje de Parker Solar Probe lleva la curiosidad humana a una región nunca antes vista del sistema solar, donde cada observación es un descubrimiento potencial.
"Estoy casi seguro de que descubriremos nuevos fenómenos de los que no sabemos nada ahora, y eso es muy emocionante para nosotros", dijo Raouafi. "Parker Solar Probe hará historia al ayudarnos a comprender el calentamiento coronal, así como la aceleración del viento solar y las partículas energéticas solares, pero creo que también tiene el potencial de dirigir la dirección del futuro de la física solar".
Relacionado:
El Goddard Space Flight Center de la NASA, Greenbelt, Md.
Última actualización: 27 de julio de 2018, enlace publicación.
Editor: Rob Garner
