La Corona exterior del Sol.

Descubriendo la estructura en la Corona Exterior.
Una vista detallada de la corona solar desde el coronógrafo STEREO-A después de una extensa limpieza de datos. Crédito: Craig DeForest, SwRI.

En 1610, Galileo rediseñó el telescopio y descubrió las cuatro lunas más grandes de Júpiter. Casi 400 años después, el Telescopio Espacial Hubble de la NASA utilizó su poderosa óptica para mirar profundamente en el espacio, permitiendo a los científicos determinar la edad del universo.

Baste decir que obtener una mejor visión de las cosas produce importantes avances científicos.

En un artículo publicado el 18 de julio en The Astrophysical Journal, un equipo de científicos dirigido por Craig DeForest, físico solar de la sucursal del Southwest Research Institute en Boulder, Colorado, demuestra que esta tendencia histórica aún se mantiene. Usando algoritmos avanzados y técnicas de limpieza de datos, el equipo descubrió estructuras de grano fino nunca antes detectadas en la corona externa, la atmósfera de un millón de grados del Sol, mediante el análisis de imágenes tomadas por la nave espacial STEREO de la NASA. Los nuevos resultados también proporcionan un presagio de lo que podría ser visto por Parker Solar Probe de la NASA, que después de su lanzamiento en el verano de 2018 orbitará directamente a través de esa región.

La corona exterior es la fuente del viento solar, la corriente de partículas cargadas que fluyen hacia afuera del Sol en todas las direcciones. Medidos cerca de la Tierra, los campos magnéticos incrustados en el viento solar están entrelazados y son complejos, pero lo que causa esta complejidad sigue sin estar claro.

"En el espacio profundo, el viento solar es turbulento y racheado", dijo DeForest. "¿Pero cómo fue eso? ¿Dejó el Sol liso y se volvió turbulento al cruzar el sistema solar, o las ráfagas nos hablan del Sol mismo?"

Responder a esta pregunta requiere observar la corona externa, la fuente del viento solar, con extremo detalle. Si el Sol mismo causa la turbulencia en el viento solar, entonces deberíamos poder ver estructuras complejas desde el comienzo del viaje del viento. Pero los datos existentes no mostraron una estructura tan fina, al menos hasta ahora.

"Las imágenes anteriores de la corona mostraban a la región como una estructura lisa y laminar", dijo Nicki Viall, físico solar en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, y coautor del estudio. "Resulta que esa suavidad aparente solo se debe a las limitaciones en la resolución de nuestra imagen".

Cómo leer una imagen ESTÉREO de la NASA.

La misión STEREO de la NASA observó una eyección de masa coronal el 23 de julio de 2012, una de las CME más rápidas de la historia. El video usa imágenes STEREO de este raro evento para describir características a las que prestar atención cuando se visualizan datos STEREO.

Crédito de vídeo: Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA / STEREO / Joy Ng, productor.
Crédito musical: pasando imágenes de Andrew Britton [PRS], David Goldsmith [PRS] del catálogo KillerTracks

El estudio.
Para entender la corona, DeForest y sus colegas comenzaron con imágenes de coronógrafo: imágenes de la atmósfera del Sol producidas por un telescopio especial que bloquea la luz de la superficie (mucho más brillante).

Estas imágenes fueron generadas por el coronógrafo COR2 a bordo del Observatorio de Relaciones Terrestres y Solares de la NASA, o STEREO-A, que rodea al Sol en órbita entre la Tierra y Venus.

En abril de 2014, STEREO-A pronto pasaría detrás del Sol, y los científicos querían obtener algunos datos interesantes antes de que las comunicaciones se interrumpieran brevemente.

Por lo tanto, realizaron una campaña especial de recopilación de datos de tres días durante la cual COR2 demoró exposiciones más prolongadas y frecuentes de la corona de lo que suele hacerlo. Estas exposiciones prolongadas permiten más tiempo para que la luz proveniente de fuentes débiles golpee el detector del instrumento, permitiéndole ver detalles que de otra manera pasaría por alto.

Pero los científicos no solo querían imágenes de mayor exposición, querían que tuvieran una resolución más alta. Las opciones fueron limitadas. El instrumento ya estaba en el espacio; a diferencia de Galileo, no podían jugar con el hardware en sí. En su lugar, tomaron un enfoque de software, exprimiendo la información de más alta calidad posible al mejorar la relación señal / ruido de COR2.

¿Qué es la relación señal / ruido?
La relación señal-ruido es un concepto importante en todas las disciplinas científicas. Mide qué tan bien puedes distinguir lo que te importa medir, la señal, las cosas que no haces, el ruido.

Por ejemplo, digamos que eres bendecido con una gran audición. Usted nota el más pequeño de los chirridos de ratón a altas horas de la noche; puedes escuchar los susurros de los escolares acurrucados a veinte pies de distancia. Su audición es impecable, cuando el ruido es bajo.

Pero es un juego de pelota completamente diferente cuando estás parado en la primera fila de un concierto de rock. Los otros sonidos en el ambiente son demasiado abrumadores; no importa cuán cuidadosamente escuches, el ratón chirria y susurra (la señal, en este caso) no puede cortar la música (el ruido). El problema no es su audición, sino la baja relación señal / ruido.

Los coronógrafos de COR2 son como su audición. El instrumento es lo suficientemente sensible para representar la corona con gran detalle, pero en la práctica sus mediciones están contaminadas por el ruido, desde el entorno espacial e incluso el cableado del instrumento en sí. La innovación clave de DeForest y sus colegas consistió en identificar y separar ese ruido, aumentar la relación señal / ruido y revelar la corona exterior con un detalle sin precedentes.

Vistas del viento solar desde la nave espacial STEREO de la NASA (izquierda) y
luego del procesamiento de la computadora (derecha). Los científicos usaron un
algoritmo para atenuar la aparición de estrellas brillantes y polvo en las imágenes del
débil viento solar.
Créditos: Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA / Craig DeForest, SwRI



El analisis.
El primer paso para mejorar la relación señal / ruido ya se había tomado: imágenes de mayor exposición. Las exposiciones más largas permiten más luz en el detector y reducen el nivel de ruido: el equipo estima la reducción de ruido en un factor de 2.4 para cada imagen y un factor de 10 cuando las combina en un período de 20 minutos. Pero los pasos restantes correspondieron a algoritmos sofisticados, diseñados y probados para extraer la corona real de las mediciones ruidosas.

Filtraron la luz de las estrellas de fondo (que crean puntos brillantes en la imagen que no son realmente parte de la corona). Corrigieron por pequeñas diferencias (de pocos milisegundos) en cuánto tiempo estuvo abierto el obturador de la cámara. Quitaron el brillo de la línea base de todas las imágenes y lo normalizaron para que las regiones más brillantes no eliminaran las más tenues.

Pero uno de los obstáculos más desafiantes es inherente a la corona: desenfoque de movimiento debido al viento solar. Para superar esta fuente de ruido, DeForest y sus colegas ejecutaron un algoritmo especial para suavizar sus imágenes a tiempo.

Suavizado en el tiempo - con un giro.
Si alguna vez has hecho una "toma doble", sabes una cosa o dos sobre suavizar a tiempo. Una doble toma - echar un segundo vistazo, verificar la primera - es solo una forma de baja tecnología de combinar dos "medidas" tomadas en diferentes momentos, en una medida en la que puede confiar más.

Suavizar en el tiempo convierte esta idea en un algoritmo. El principio es simple: tomar dos (o más) imágenes, superponerlas, y promediar sus valores de píxel juntos. Las diferencias aleatorias entre las imágenes eventualmente se cancelarán, dejando solo lo que es consistente entre ellas. Pero cuando se trata de la corona, hay un problema: es una estructura dinámica, persistentemente conmovedora y cambiante. El material solar siempre se aleja del Sol para convertirse en el viento solar. Alisar el tiempo crearía un desenfoque de movimiento, el mismo tipo de borrosidad que se ve en las fotografías de objetos en movimiento. Eso es un problema si tu objetivo es ver detalles finos.

Para deshacer el movimiento borroso del viento solar, los científicos utilizaron un procedimiento novedoso: mientras realizaban su alisado, estimaban la velocidad del viento solar y cambiaban las imágenes junto con él. Para comprender cómo funciona este enfoque, piense en tomar instantáneas de la autopista a medida que pasan los automóviles. Si simplemente superponía sus imágenes, el resultado sería un gran embrollo borroso: demasiado ha cambiado entre cada instantánea.

Pero si pudieras descubrir la velocidad del tráfico y cambiar tus imágenes para seguirlo, de repente los detalles de autos específicos se volverían visibles. Para DeForest y sus coautores, los carros eran las estructuras de escala fina de la corona, y el tráfico de la autopista era el viento solar.

Por supuesto, no hay señales de límite de velocidad en la corona para decirle qué tan rápido se están moviendo las cosas. Para determinar exactamente cuánto cambiar las imágenes antes de promediar, deslizaron las imágenes píxel por píxel, correlacionándolas entre sí para calcular cuán similares eran. Eventualmente encontraron el punto dulce, donde las partes superpuestas de las imágenes eran lo más similares posible. La cantidad de turno correspondió a una velocidad de viento solar promedio de aproximadamente 136 millas por segundo. Cambiando cada imagen por esa cantidad, alinearon las imágenes y las suavizaron, o las promediaron juntas.

"Suavizamos, no solo en el espacio, no solo a tiempo, sino en un sistema de coordenadas en movimiento", dijo DeForest. "Eso nos permitió crear un desenfoque de movimiento que no estaba determinado por la velocidad del viento, sino por la rapidez con que las características cambiaban con el viento". Ahora DeForest y sus colaboradores tenían imágenes de alta calidad de la corona, y una forma de saber cuánto estaba cambiando con el tiempo.

Los resultados.
El hallazgo más sorprendente no fue una estructura física específica: era la simple presencia de la estructura física en sí misma. En comparación con la corona interna dinámica y turbulenta, los científicos consideraron que la corona externa era lisa y homogénea. Pero esa suavidad era solo un artefacto de baja relación señal / ruido: "Cuando eliminamos el mayor ruido posible, nos dimos cuenta de que la corona está estructurada, hasta la resolución óptica del instrumento", dijo DeForest.

Al igual que las hojas de hierba individuales que ves solo cuando estás cerca, la compleja estructura física de la corona se revela con un detalle sin precedentes. Y de entre ese detalle físico, surgieron tres hallazgos clave.

La estructura de serpentinas coronales.
Serpentinas coronales observadas por el Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) el
14 de febrero de 2002. El trabajo de DeForest y sus coautores indica que estas estructuras
en realidad están compuestas de muchos hilos finos individuales.
Créditos: NASA / LASCO.
Los serpentinas coronales, también conocidas como serpentinas de casco, porque se asemejan al casco puntiagudo de un caballero, son estructuras brillantes que se desarrollan sobre las regiones del Sol con una actividad magnética mejorada. Observado fácilmente durante eclipses solares, los bucles magnéticos en la superficie del Sol se extienden en puntas puntiagudas por el viento solar y pueden estallar en eyecciones de masa coronal, o CME, las grandes explosiones de materia que expulsan partes del Sol en el espacio circundante. DeForest y el trabajo de sus coautores de las observaciones de STEREO revelan que los propios serpentines son mucho más estructurados de lo que se pensaba.

"Lo que descubrimos es que no existe un solo transmisor", dijo DeForest. "Los propios streamers se componen de una miríada de hilos finos que en conjunto promedian para producir una característica más brillante".

La zona de Alfvén.
¿Dónde comienza la corona y el viento solar? Una definición apunta a la superficie de Alfvén, un límite teórico donde el viento solar comienza a moverse más rápido de lo que las ondas pueden viajar hacia atrás a través de él. En esta región límite, las perturbaciones que ocurren en un punto más alejado en el material solar que viaja no pueden retroceder lo suficientemente rápido como para llegar al Sol. "El material que fluye más allá de la superficie de Alfvén se pierde para siempre", dijo DeForest.

Los físicos siempre han creído que la superficie de Alfvén era solo eso: una superficie, o una capa similar a una lámina donde el viento solar de repente alcanzaba una velocidad crítica. Pero eso no es lo que DeForest y sus colegas encontraron. "Lo que concluimos es que no hay una superficie limpia de Alfvén", dijo DeForest. "Hay una amplia 'tierra de nadie' o 'zona de Alfvén' donde el viento solar se desconecta gradualmente del Sol, en lugar de un único límite claro".

Las observaciones revelan un marco irregular donde, a una distancia determinada del Sol, parte del plasma se mueve lo suficientemente rápido como para detener la comunicación hacia atrás, y las corrientes cercanas no lo hacen. Las corrientes son lo suficientemente cerca y lo suficientemente fina, a mezclar las límite natural de la superficie de Alfvén para crear una amplia región, desconectado parcialmente entre la corona y el viento solar.

Un misterio a 10 radios solares.
Pero la mirada cercana a la estructura coronal también planteó nuevas preguntas. La técnica utilizada para estimar la velocidad del viento solar identificó las altitudes, o las distancias desde la superficie del Sol, donde las cosas cambiaban rápidamente. Y fue entonces cuando el equipo notó algo gracioso. "Encontramos que hay una correlación mínima alrededor de 10 radios solares", dijo DeForest.

A una distancia de 10 radios solares, incluso las imágenes espalda con espalda dejaron de coincidir bien. Pero se volvieron más similares nuevamente a distancias mayores, lo que significa que no se trata solo de alejarse del Sol. Es como si las cosas cambiaran de repente una vez que alcanzaran 10 radios solares.

"El hecho de que la correlación sea más débil en 10 radios solares significa que algo de física interesante está sucediendo por allí", dijo DeForest. "Todavía no sabemos qué es, pero sí sabemos que va a ser interesante".

A dónde vamos desde aquí.
Los hallazgos crean avances en un debate de larga data sobre la fuente de la complejidad del viento solar. Si bien las observaciones STEREO no resuelven la cuestión, la metodología del equipo abre un eslabón perdido en la cadena de viento solar-solar.

"Vemos toda esta variabilidad en el viento solar justo antes de que golpee la magnetosfera de la Tierra, y uno de nuestros objetivos fue preguntar si era posible incluso que la variabilidad se formara en el Sol. Resulta que la respuesta es sí ", dijo Viall.

"Nos permite por primera vez probar realmente la conectividad a través de la corona y ajustar cuán enredado creemos que se encuentra el campo magnético en la corona en comparación con el viento solar", agregó DeForest.

Estas primeras observaciones también proporcionan una visión clave de lo que encontrará la próxima Parker Solar Probe de la NASA, como la primera misión para recopilar mediciones desde la corona solar externa. Esa nave espacial viajará a una distancia de 8.86 radios solares, justo en la región donde se pueden encontrar cosas interesantes. Los resultados de DeForest y sus colegas les permiten hacer predicciones de lo que Parker Solar Probe puede observar en esta región.

"Deberíamos esperar fuertes fluctuaciones en la densidad, fluctuaciones magnéticas y reconexión en todas partes, y ninguna superficie de Alfvén bien definida", dijo DeForest. Complementado por las mediciones in situ de Parker Solar Probe, los algoritmos de imagen de larga exposición y reducción de ruido serán aún más valiosos para nuestra comprensión de nuestra estrella más cercana. El estudio fue apoyado por una subvención del programa de investigación y tecnología dirigido por Living With a Star de la NASA.

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Por Miles Hatfield

Última actualización, 19 de julio de 2018
Editor: Rob Garner