Solar Orbiter resuelve el misterio del retroceso magnético

Con los datos de su paso más cercano al Sol hasta el momento, la nave espacial Solar Orbiter de la ESA/NASA ha encontrado pistas convincentes sobre el origen de los retrocesos magnéticos y apunta hacia cómo su mecanismo de formación física podría ayudar a acelerar el viento solar.

La nave espacial ESA/NASA Solar Orbiter ha captado por primera vez imágenes de un fenómeno magnético conocido como cambios solares. La imagen se acerca a la curvatura (característica azul/blanca que se extiende hacia la izquierda) capturada en la corona solar por el instrumento Metis el 25 de marzo de 2022. La curvatura parece estar vinculada a la región activa que se ve en la imagen central del Extreme Ultraviolet Imager (Correcto). Crédito: ESA y NASA/Solar Orbiter/EUI y Metis Teams y D. Telloni et al. (2022)

Solar Orbiter ha realizado la primera observación de detección remota consistente con un fenómeno magnético llamado cambio solar: grandes y repentinas desviaciones del campo magnético del viento solar. La nueva observación proporciona una vista completa de la estructura, en este caso confirmando que tiene un carácter en forma de S, como se predijo. Además, la perspectiva global proporcionada por los datos de Solar Orbiter indica que estos campos magnéticos que cambian rápidamente pueden tener su origen cerca de la superficie del Sol.

Si bien varias naves espaciales han volado a través de estas desconcertantes regiones antes, los datos in situ solo permiten una medición en un solo punto y momento. En consecuencia, la estructura y la forma de la curvatura deben deducirse de las propiedades del campo magnético y del plasma medidas en un punto.

Cuando las naves espaciales germano-estadounidenses Helios 1 y 2 volaron cerca del Sol a mediados de la década de 1970, ambas sondas registraron inversiones repentinas del campo magnético solar. Estas inversiones misteriosas siempre fueron abruptas y siempre temporales, y duraron desde unos pocos segundos hasta varias horas antes de que el campo magnético volviera a su dirección original.

Estas estructuras magnéticas también fueron probadas a distancias mucho mayores del Sol por la nave espacial Ulysses a fines de la década de 1990. En lugar de un tercio del radio orbital de la Tierra desde el Sol, donde las misiones Helios hicieron su paso más cercano, Ulysses operó principalmente más allá de la órbita terrestre.

Su número aumentó drásticamente con la llegada de la sonda solar Parker de la NASA en 2018. Esto indicaba claramente que las inversiones repentinas del campo magnético son más numerosas cerca del Sol y llevó a sugerir que fueron causadas por torceduras en forma de S en el campo magnético. Este comportamiento desconcertante le valió al fenómeno el nombre de retrocesos. Se propusieron varias ideas sobre cómo podrían formarse.

Cómo se forma una curva solar. Solar Orbiter ha realizado la primera observación por teledetección de un fenómeno magnético llamado "retroceso" solar, lo que demuestra su origen en la superficie solar y apunta a un mecanismo que podría ayudar a acelerar el viento solar. La imagen central muestra el Sol visto por el instrumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI) de la nave espacial Solar Orbiter de la ESA/NASA el 25 de marzo de 2022. Se indica una región activa en el Sol, que se cree que es la fuente de la "retroceso" observada. identificado en la corona solar por el instrumento Metis. Un análisis de la velocidad del flujo de salida en la corona muestra que el retroceso corresponde a un plasma de movimiento muy lento (imagen de la derecha). Esto lo vincula a la región activa, ya que se esperarían velocidades tan lentas por encima de una región activa que aún tiene que liberar su energía almacenada. Los bocetos de líneas de campo magnético muestran la cadena de eventos que se cree que tienen lugar en las líneas de campo magnético para generar la conmutación. Las regiones activas del Sol pueden presentar líneas de campo magnético abiertas y cerradas. Las líneas cerradas se arquean hacia la atmósfera solar antes de curvarse de nuevo hacia el Sol. Las líneas de campo abierto se conectan con el campo magnético interplanetario del Sistema Solar. Cuando una región magnética abierta interactúa con una región cerrada, las líneas del campo magnético pueden volver a conectarse, creando una línea de campo con forma de S aproximada y produciendo un estallido de energía. A medida que la línea de campo responde a la reconexión y la liberación de energía, se establece una torcedura que se propaga hacia el exterior. Este es el retroceso. También se envía un retroceso similar en la dirección opuesta, por la línea de campo y hacia el Sol. Esta es la primera observación por teledetección de un retroceso y puede proporcionar un mecanismo que podría ayudar a acelerar el viento solar. Crédito: ESA y NASA/Solar Orbiter/EUI y Metis Teams y D. Telloni et al. (2022); Zank et al. (2020)

El 25 de marzo de 2022, Solar Orbiter estaba a solo un día de un paso cercano del Sol, colocándolo dentro de la órbita del planeta Mercurio, y su instrumento Metis estaba tomando datos. Metis bloquea el resplandor brillante de la luz de la superficie del Sol y toma fotografías de la atmósfera exterior del Sol, conocida como corona. Las partículas en la corona están cargadas eléctricamente y siguen las líneas del campo magnético del Sol hacia el espacio. Las partículas cargadas eléctricamente se llaman plasma.

Alrededor de las 20:39 UT, Metis registró una imagen de la corona solar que mostraba una torcedura distorsionada en forma de S en el plasma coronal. Para Daniele Telloni, del Instituto Nacional de Astrofísica - Observatorio Astrofísico de Torino, Italia, se parecía sospechosamente a una curva solar.

Al comparar la imagen de Metis, que había sido tomada en luz visible, con una imagen simultánea tomada por el instrumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI) de Solar Orbiter, vio que el cambio de rumbo candidato estaba teniendo lugar sobre una región activa catalogada como AR 12972. Las regiones activas son asociado con las manchas solares y la actividad magnética. Un análisis posterior de los datos de Metis mostró que la velocidad del plasma sobre esta región era muy lenta, como se esperaría de una región activa que aún tiene que liberar su energía almacenada.

Captura de una curva solar. El Sol visto por la nave espacial Solar Orbiter de la ESA/NASA el 25 de marzo de 2022, un día antes de su máxima aproximación de aproximadamente 0,32 au, que lo llevó al interior de la órbita del planeta Mercurio. La imagen central fue tomada por el instrumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI). La imagen exterior fue tomada por el coronógrafo Metis, un instrumento que bloquea la luz brillante de la superficie del Sol para poder ver la tenue atmósfera exterior del Sol, conocida como corona. La imagen de Metis ha sido procesada para resaltar estructuras en la corona. Esto reveló el retroceso (la característica prominente de color blanco/azul claro en la posición de aproximadamente las 8 en punto en la parte inferior izquierda). Parece remontarse a la región activa en la superficie del Sol, donde los bucles de magnetismo han atravesado la superficie del Sol. Crédito: ESA y NASA/Solar Orbiter/EUI y Metis Teams y D. Telloni et al. (2022)

Daniele pensó instantáneamente que esto se parecía a un mecanismo generador de cambios propuesto por el profesor Gary Zank, de la Universidad de Alabama en Huntsville, EE. UU. La teoría analizó la forma en que las diferentes regiones magnéticas cerca de la superficie del Sol interactúan entre sí.

Cerca del Sol, y especialmente por encima de las regiones activas, existen líneas de campo magnético abiertas y cerradas. Las líneas cerradas son bucles de magnetismo que se arquean hacia la atmósfera solar antes de curvarse y desaparecer de nuevo en el Sol. Muy poco plasma puede escapar al espacio por encima de estas líneas de campo, por lo que la velocidad del viento solar tiende a ser lenta aquí. Las líneas de campo abierto son al revés, emanan del Sol y conectan con el campo magnético interplanetario del Sistema Solar. Son autopistas magnéticas a lo largo de las cuales el plasma puede fluir libremente y dar lugar al veloz viento solar.

Daniele y Gary demostraron que los retrocesos ocurren cuando hay una interacción entre una región de líneas de campo abiertas y una región de líneas de campo cerradas. A medida que las líneas de campo se juntan, pueden volver a conectarse en configuraciones más estables. Al igual que hacer restallar un látigo, esto libera energía y establece una perturbación en forma de S que viaja al espacio, lo que una nave espacial que pasa registraría como un retroceso.

Según Gary Zank, quien propuso una de las teorías sobre el origen de las curvas: “La primera imagen de Metis que mostró Daniele me sugirió casi de inmediato las caricaturas que habíamos dibujado al desarrollar el modelo matemático para una curva. Por supuesto, la primera imagen era solo una instantánea y tuvimos que moderar nuestro entusiasmo hasta que hubiéramos utilizado la excelente cobertura de Metis para extraer información temporal y hacer un análisis espectral más detallado de las propias imágenes. ¡Los resultados demostraron ser absolutamente espectaculares!”

Junto con un equipo de otros investigadores, construyeron un modelo informático del comportamiento y descubrieron que sus resultados se parecían mucho a la imagen de Metis, especialmente después de incluir cálculos sobre cómo se alargaría la estructura durante su propagación hacia el exterior a través de la corona solar. .

Creando un cambio solar. La observación de Metis del retroceso es consistente con el sólido mecanismo teórico para la producción de retrocesos magnéticos solares propuesto en 2020 por el profesor Gary Zank. La observación clave fue que se podía ver el retroceso emanado desde arriba de una región solar activa. Esta secuencia muestra la cadena de eventos que los investigadores creen que está ocurriendo. (a) Las regiones activas del Sol pueden presentar líneas de campo magnético abiertas y cerradas. Las líneas cerradas se arquean hacia la atmósfera solar antes de curvarse de nuevo hacia el Sol. Las líneas de campo abierto se conectan con el campo magnético interplanetario del Sistema Solar. (b) Cuando una región magnética abierta interactúa con una región cerrada, las líneas del campo magnético pueden volver a conectarse, creando una línea de campo con forma de S aproximadamente y produciendo un estallido de energía. (c) A medida que la línea de campo responde a la reconexión y la liberación de energía, se establece una torcedura que se propaga hacia el exterior. Este es el retroceso. También se envía un retroceso similar en la dirección opuesta, por la línea de campo y hacia el Sol. Crédito: Zank et al. (2020)

"Diría que esta primera imagen de un retroceso magnético en la corona solar ha revelado el misterio de su origen", dice Daniele, cuyos resultados se publican en un artículo en The Astrophysical Journal Letters.

Al comprender los retrocesos, los físicos solares también pueden estar dando un paso hacia la comprensión de los detalles de cómo el viento solar se acelera y calienta lejos del Sol. Esto se debe a que cuando las naves espaciales vuelan a través de curvas, a menudo registran una aceleración localizada del viento solar.

“El siguiente paso es tratar de vincular estadísticamente los retrocesos observados in situ con sus regiones de origen en el Sol”, dice Daniele. En otras palabras, hacer que una nave espacial vuele a través de la inversión magnética y pueda ver lo que sucedió en la superficie solar. Este es exactamente el tipo de ciencia de vinculación para el que se diseñó Solar Orbiter, pero no significa necesariamente que Solar Orbiter necesite volar a través de la curva. Podría ser otra nave espacial, como Parker Solar Probe. Siempre que los datos in situ y los datos de detección remota sean simultáneos, Daniele puede realizar la correlación.

“Este es exactamente el tipo de resultado que esperábamos con Solar Orbiter”, dice Daniel Müller, científico del proyecto ESA para Solar Orbiter. “Con cada órbita, obtenemos más datos de nuestro conjunto de diez instrumentos. Con base en resultados como este, ajustaremos las observaciones planificadas para el próximo encuentro solar de Solar Orbiter para comprender la forma en que el Sol se conecta con el entorno magnético más amplio del Sistema Solar. Este fue el primer paso cercano del Solar Orbiter al Sol, por lo que esperamos que lleguen muchos más resultados emocionantes”.

El próximo paso cercano del Sol por parte de Solar Orbiter, nuevamente dentro de la órbita de Mercurio a una distancia de 0,29 veces la distancia entre la Tierra y el Sol, tendrá lugar el 13 de octubre. A principios de este mes, el 4 de septiembre, Solar Orbiter realizó un sobrevuelo asistido por gravedad en Venus para ajustar su órbita alrededor del Sol; Los sobrevuelos posteriores de Venus comenzarán a aumentar la inclinación de la órbita de la nave espacial para acceder a regiones de mayor latitud, más polares, del Sol.

Notas para editores

La observación de un retroceso magnético en la corona solar por D. Telloni et al se publica en The Astrophysical Journal Letters. DOI 10.3847/2041-8213/ac8104

La investigación se presentará esta semana en el 8º Taller de Solar Orbiter en Belfast, Irlanda del Norte.

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• Publicado en ESA el 12 de septiembre del 2022, enlace publicación.