Cómo los científicos de todo el mundo siguen el ciclo solar.

Todas las mañanas, el astrónomo Steve Padilla da un corto paseo desde su casa hasta la base de una torre que se eleva 150 pies sobre el suelo. Escondido en las montañas de San Gabriel, aproximadamente a una hora en automóvil al norte de Los Ángeles, el Observatorio Mount Wilson ha sido durante mucho tiempo un hogar para la ciencia espacial; también es el hogar de Padilla, una de las ventajas de su trabajo como observador del sol en Mount Wilson. Mount Wilson tiene varios centinelas del sistema solar; el telescopio encaramado en la parte superior de esta torre vigila constantemente el sol. Los observadores estudian el Sol de cerca, para que podamos comprender mejor la vida y la actividad de nuestra estrella.

Imágenes del Observatorio de Dinámica Solar de la NASA muestran el Sol cerca del mínimo solar en octubre de 2019 y el último máximo solar en abril de 2014. Los agujeros coronales oscuros cubren el Sol durante el mínimo solar, mientras que las regiones activas brillantes, que indican más actividad solar, cubren el Sol durante el máximo solar . Créditos: Observatorio de Dinámica Solar de la NASA / Joy Ng.

Padilla sube al ascensor exterior. Se sujeta a un arnés de seguridad, que está sujeto a la cabina al aire libre, el mismo que se usa todos los días desde que el telescopio entró en funcionamiento en 1912 (los cables han sido reemplazados desde entonces).

“Puede dar un poco de miedo en días ventosos”, dijo Padilla.

En la parte superior, Padilla ajusta un juego de espejos que proyecta una imagen del Sol en una sala de observación muy abajo. De vuelta en el suelo, usa una serie de lápices, que varían en grafito, para dibujar las manchas oscuras que motean la cara del Sol. Esta tarea diaria es la base del número de manchas solares, nuestro registro más largo de actividad solar. Los seres humanos han observado manchas solares (manchas oscuras que surgen de una fuerte actividad magnética) durante más de 1.000 años, y las han seguido en detalle desde la invención del telescopio, durante los últimos 400. Incluso con la moderna multitud de naves espaciales que estudian el Sol, tomarse el tiempo para dibujar las manchas solares sigue siendo la principal forma de contarlas. El estudio de las manchas solares es la forma más básica de estudiar cómo la actividad solar aumenta y disminuye con el tiempo, y es la base de cómo seguimos el ciclo solar.

Las manchas solares se corresponden con el ciclo natural de 11 años del Sol, en el que el Sol cambia de relativamente calmado a tormentoso. En su punto más activo, llamado máximo solar, el Sol está salpicado de manchas solares y sus polos magnéticos se invierten. (En la Tierra, eso sería como si los polos norte y sur cambiaran cada década). Durante el mínimo solar, las manchas solares son pocas y distantes entre sí. A menudo, el sol está tan en blanco y sin rasgos como la yema de un huevo.

Comprender el comportamiento del Sol es una parte importante de la vida en nuestro sistema solar. Los poderosos estallidos del Sol pueden perturbar los satélites y las señales de comunicaciones que viajan por la Tierra, o algún día, los astronautas de Artemisa explorando mundos distantes. Los científicos de la NASA estudian el ciclo solar para que podamos predecir mejor la actividad solar. A partir de 2020, el Sol ha comenzado a sacudirse el sueño mínimo, que ocurrió en diciembre de 2019. El ciclo solar 25 está en marcha y los científicos están ansiosos por tener otra oportunidad para poner a prueba su comprensión de los signos del ciclo solar.

"Lo más importante que hay que recordar con las predicciones es que te equivocarás", dijo Dean Pesnell, experto en ciclos solares del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Nunca vas a ser perfecto. Es lo que aprende de eso, lo que le permite avanzar en sus predicciones ".

Durante el mínimo solar somnoliento, Padilla observó más días sin manchas. “No hay lugares para dibujar, así que tengo un papel sin nada”, dijo. Incluso la ausencia de manchas solares es una observación útil: contar los días impecables es un indicador de que el estado de ánimo del Sol está cambiando hacia el mínimo. (En lugar de manchas solares, los agujeros coronales oscuros nublan los polos solares como mínimo). Por otro lado, en el máximo solar, se pueden formar cientos de manchas a la vez. Algunos dibujos pueden tardar varias horas en completarse.

"El Sol tiene su propio ritmo que no podemos acelerar", dijo Frédéric Clette, director del World Data Center for the Sunspot Index and Long-term Solar Observations, o SILSO, en el Real Observatorio de Bélgica en Bruselas, que rastrea las manchas solares. y señala los máximos y mínimos del ciclo solar. “A veces, nos cuesta moderar la impaciencia de las personas que esperan saber de la noche a la mañana si el Sol realmente se está despertando de nuevo”.

En todo el mundo, los observadores realizan censos diarios de manchas solares. Dibujan el sol a la misma hora todos los días, utilizando las mismas herramientas para mantener la coherencia. Juntas, sus observaciones conforman el número internacional de manchas solares, una tarea compleja realizada por SILSO. Unas 80 estaciones de todo el mundo aportan sus datos. Exactamente cuántas estaciones se incluyen en el recuento de cada día depende de una serie de factores como el clima (las nubes y los fuertes vientos oscurecen la vista del Sol), o tal vez un observador solar tiene una cita de última hora.

A pesar de la interferencia de la vida diaria, estos estudios manuales siguen siendo el registro a largo plazo más fiable de las manchas solares que tenemos.

“Los satélites pueden hacer muchas cosas mejor que un dibujo a mano”, dijo Olivier Lemaître, observador solar del Observatorio Real de Bélgica. “Pero considere un satélite con una vida útil de 10 a 15 años, eso es solo un ciclo solar. No se puede comparar con nada más fuera de esa vida útil ".

Pero los estudios a largo plazo son la columna vertebral de la ciencia del ciclo solar. Con extensos registros históricos, los científicos pueden rastrear el arco de patrones de décadas en el comportamiento del Sol. Cuando se trata de contar manchas solares, no se trata tanto de la precisión o resolución de las observaciones como de la consistencia de los datos en sí. Incluso cuando su ciudad fue cerrada debido a la pandemia de coronavirus, un observador del equipo del Observatorio Real se dirigió todos los días a la torre del telescopio para mantener intacto el registro.

Lemaître se acerca metódicamente a cada dibujo de manchas solares, delineando una familia de manchas solares antes de sombrear con detalles más finos. El delicado trabajo del lápiz contradice las poderosas explosiones que pueden desencadenar las manchas solares.

Dibujos de manchas solares de SILSO en el Real Observatorio de Bélgica. Examinar las manchas solares con dibujos dibujados a mano diariamente es la forma más básica de estudiar cómo la actividad solar aumenta y disminuye con el tiempo, y es la base de cómo seguimos el ciclo solar. Créditos: SILSO / Real Observatorio de Bélgica.

Las manchas solares surgen de grupos de intensa energía magnética. Impulsados ​​por su fuerza magnética, se elevan a través del material solar en movimiento como un grano de arroz en una olla hirviendo. Las manchas solares parecen más oscuras porque son más frías que su entorno; el nudo magnético en su núcleo evita que la energía se irradie más allá de la superficie del Sol. Cuando se acumula suficiente energía magnética sobre la mancha solar, una poderosa erupción puede estallar libremente, como una botella de refresco que explota, arrojando luz y materia solar.

Si se encuentran frente a la Tierra, estas tormentas solares pueden interrumpir satélites, astronautas y señales de comunicaciones como radio o GPS. La atmósfera superior de la Tierra podría expandirse en respuesta, ralentizando los satélites en órbita de la misma forma en que las carreteras de grava ralentizan los coches, erosionando la vida útil de los satélites. Aunque los cambios en el Sol generalmente no son visibles para nosotros sin la ayuda de instrumentos científicos, impactan el espacio alrededor de la Tierra y otros planetas.

Persiguiendo el mínimo solar.

En lo profundo del Sol, los gases electrificados fluyen en corrientes que generan el campo magnético del Sol, que alimenta sus poderosos estallidos. Durante el mínimo solar, el campo magnético del Sol se relaja. En el apogeo del ciclo solar, es una maraña de líneas de campo magnético. Comprender este flujo, llamado dínamo, es clave en el esfuerzo por predecir qué hará el Sol a continuación.

Desde 1989, el Panel de Predicción del Ciclo Solar, un panel internacional de expertos patrocinado por la NASA y NOAA, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, se ha reunido cada década para hacer su predicción para el próximo ciclo solar. La predicción incluye el número máximo de manchas solares y el inicio y pico esperados del ciclo. El esfuerzo requiere evaluar muchos modelos diferentes y navegar por muchas personalidades.

"Cada uno de nosotros tiene nuestras predicciones favoritas, o en las que tenemos más confianza", dijo Lisa Upton, física solar de Space Systems Research Corporation en Westminster, Colorado, y copresidenta del panel de predicciones. “Nuestro deber es llegar a un consenso. Si tomamos todas nuestras opiniones y modelos, ¿ dónde está la mayor superposición y dónde podemos estar de acuerdo en que aterrizará el ciclo solar? "

Los científicos siempre están persiguiendo el mínimo solar, pero solo pueden reconocerlo en retrospectiva. Dado que el mínimo se define por el número más bajo de manchas solares en un ciclo solar, los científicos deben ver que los números aumentan constantemente antes de determinar cuándo estaban en la parte inferior.

Para complicar las cosas, los ciclos solares a menudo se superponen. A medida que un ciclo pasa al siguiente, las manchas solares nuevas y viejas emergen en el Sol a la vez. Las manchas solares a menudo aparecen en grupos, que son como imanes, cada uno con un final positivo y negativo. A medida que el campo magnético del Sol cambia lentamente, también lo hace la polaridad de los grupos de manchas solares. Cuando las manchas solares de un ciclo cruzan el Sol con su extremo positivo a la cabeza, las manchas del siguiente ciclo caminan con el pie negativo primero. Además de eso, las manchas solares en los dos hemisferios del Sol también tienen orientaciones opuestas.

La firma magnética única de cada mancha solar permite determinar qué ciclo la produjo: el antiguo o el nuevo. Cuando el Sol se mueve desde el mínimo solar, además de contar las manchas solares, los científicos quieren asegurarse de que todas las manchas que salen a la superficie sean realmente nuevas.

“Solo advierto a la gente, porque a pesar de lo emocionados que estamos de que llegue el nuevo ciclo, tenemos que esperar hasta que alcancemos el mínimo”, dijo Upton. "Pueden pasar de seis a ocho meses después del mínimo antes de que podamos decir que el mínimo realmente ha ocurrido". De hecho, los científicos no confirmaron hasta septiembre de 2020 que el Sol alcanzó el mínimo solar en diciembre de 2019.

Esta imagen dividida muestra la diferencia entre un Sol activo durante el máximo solar (a la izquierda, capturado en abril de 2014) y un Sol tranquilo durante el mínimo solar (a la derecha, capturado en diciembre de 2019). Diciembre de 2019 marca el comienzo del ciclo solar 25, y la actividad del Sol volverá a aumentar hasta el máximo solar, previsto para 2025. Créditos: NASA / SDO.

Indicadores invisibles.

Además de las manchas solares, otros indicadores pueden señalar cuando el Sol está llegando a su punto mínimo. Si el campo magnético del Sol fuera un rompecabezas, todavía falta una pieza: el campo magnético en los polos. Aunque los científicos no pueden medir el campo magnético polar con tanta precisión como otras partes del Sol, las estimaciones proporcionan pistas. (Pronto, la ESA, la Agencia Espacial Europea y el Solar Orbiter de la NASA enviarán nuevas imágenes de los polos del Sol.) En ciclos anteriores, los científicos han notado la fuerza del campo magnético polar durante el mínimo solar que apunta a la intensidad del próximo máximo. Cuando los polos son débiles, el siguiente máximo es débil y viceversa.

En los últimos ciclos, la fuerza del campo magnético en los polos del Sol ha disminuido constantemente; también lo ha hecho el número de manchas solares. Ahora, los polos son aproximadamente tan fuertes como lo fueron en el mismo punto en el último ciclo, Ciclo 24.

“Esta es la gran prueba para nuestros modelos: si el ciclo 25 funcionará de la misma manera que el ciclo 24”, dijo Pesnell.

Otro indicador del progreso del ciclo solar proviene de fuera del sistema solar. Los rayos cósmicos son fragmentos de partículas de alta energía, los escombros de estrellas que explotaron en galaxias distantes. Durante el máximo solar, el fuerte campo magnético del Sol envuelve nuestro sistema solar en un capullo magnético que es difícil de infiltrar para los rayos cósmicos. En los años de menor actividad, la cantidad de rayos cósmicos en el sistema solar aumenta a medida que más y más pasan por el tranquilo Sol. Al rastrear los rayos cósmicos tanto en el espacio como en la tierra, los científicos tienen otra medida más del ciclo solar.

Si bien el mínimo puede carecer de los fuegos artificiales del máximo solar, es útil para los científicos. Hacen sus pronósticos y esperan ver cómo se desarrollan sus estimaciones. Algunos consideran que es el momento de volver a lo básico.

“En el mínimo solar, puede hacer preguntas más difíciles que en el máximo”, dijo Pesnell.

Un área de estudio solar, llamada heliosismología, involucra a científicos que recolectan ondas sonoras del interior del Sol, como una forma de sondear la esquiva dínamo. Durante el mínimo solar, no tienen que preocuparse por las ondas sonoras que rebotan en las manchas solares y las regiones activas características del máximo solar. Cuando las manchas solares desaparecen de la vista, los científicos tienen la oportunidad de ajustar sus modelos, sin todo el drama solar.

Comprender el comportamiento del Sol es una parte importante de la vida en nuestro sistema solar. Los científicos usan varios indicadores para rastrear el progreso del ciclo solar. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA

Por Lina Tran

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

Última actualización: 15 de septiembre de 2020, enlace publicación.

Montaje: Lina Tran