La sonda solar Parker de la NASA ha volado lo suficientemente cerca del sol para detectar la estructura fina del viento solar cerca de donde se genera en su superficie, revelando detalles que se pierden a medida que el viento sale de la corona como una explosión uniforme de partículas cargadas.
Es como ver chorros de agua que emanan de un cabezal de ducha a través de la ráfaga de agua golpeándote en la cara.
En un artículo que se publicará esta semana en la revista Nature, un equipo de científicos dirigido por Stuart D. Bale, profesor de física en la Universidad de California, Berkeley, y James Drake de la Universidad de Maryland-College Park, informan que la sonda solar Parker ha detectado corrientes de partículas de alta energía que coinciden con los flujos de supergranulación dentro de los agujeros coronales. lo que sugiere que estas son las regiones donde se origina el llamado viento solar “rápido”.
Los agujeros coronales son áreas donde las líneas del campo magnético emergen de la superficie sin volver hacia adentro, formando así líneas de campo abierto que se expanden hacia afuera y llenan la mayor parte del espacio alrededor del sol. Estos agujeros suelen estar en los polos durante los períodos tranquilos del sol, por lo que el viento solar rápido que generan no golpea la Tierra. Pero cuando el sol se activa cada 11 años a medida que su campo magnético se voltea, estos agujeros aparecen en toda la superficie, generando ráfagas de viento solar dirigidas directamente a la Tierra.
Comprender cómo y dónde se origina el viento solar ayudará a predecir las tormentas solares que, si bien producen hermosas auroras en la Tierra, también pueden causar estragos en los satélites y la red eléctrica.
“Los vientos llevan mucha información del sol a la Tierra, por lo que comprender el mecanismo detrás del viento del sol es importante por razones prácticas en la Tierra”, dijo Drake. “Eso va a afectar nuestra capacidad de entender cómo el sol libera energía y conduce tormentas geomagnéticas, que son una amenaza para nuestras redes de comunicación”.
Un mapa aplanado de toda la superficie del sol, o corona, fotografiado en longitudes de onda ultravioleta extremas por el satélite del Observatorio de Dinámica Solar (SDO) de la NASA. Las dos regiones oscuras debajo del centro de la imagen son los agujeros coronales muestreados por la sonda solar Parker. Dentro de estos agujeros coronales, los flujos en la atmósfera solar crean campos magnéticos intensos y complejos que aniquilan y producen la presión y la energía para superar la gravedad solar y enviar partículas de alta energía hacia afuera: el viento solar rápido. Los embudos de campo magnético intenso donde realmente se origina el viento solar rápido, grandes células de convección llamadas supergranulaciones, no son visibles dentro de los agujeros coronales. (Imagen cortesía de la NASA)
Según el análisis del equipo, los agujeros coronales son como cabezales de ducha, con chorros espaciados aproximadamente uniformemente que emergen de puntos brillantes donde las líneas del campo magnético se canalizan dentro y fuera de la superficie del sol. Los científicos argumentan que cuando los campos magnéticos dirigidos opuestamente se cruzan entre sí en estos embudos, que pueden tener 18,000 millas de ancho, los campos a menudo se rompen y se reconectan, arrojando partículas cargadas fuera del sol.
“La fotosfera está cubierta por células de convección, como en una olla de agua hirviendo, y el flujo de convección a mayor escala se llama supergranulación”, dijo Bale. “Donde estas células de supergranulación se encuentran y van hacia abajo, arrastran el campo magnético en su camino hacia este tipo de embudo hacia abajo. El campo magnético se intensifica mucho allí porque simplemente está atascado. Es una especie de cucharada de campo magnético que baja a un desagüe. Y la separación espacial de esos pequeños desagües, esos embudos, es lo que estamos viendo ahora con los datos de las sondas solares”.
Basándose en la presencia de algunas partículas de energía extremadamente alta que la sonda solar Parker ha detectado, partículas que viajan de 10 a 100 veces más rápido que el promedio del viento solar, los investigadores concluyen que el viento solo podría hacerse mediante este proceso, que se llama reconexión magnética. La sonda se lanzó en 2018 principalmente para resolver dos explicaciones contradictorias para el origen de las partículas de alta energía que componen el viento solar: la reconexión magnética o la aceleración por plasma u ondas de Alfvén.
“La gran conclusión es que es la reconexión magnética dentro de estas estructuras de embudo lo que proporciona la fuente de energía del viento solar rápido”, dijo Bale. “No solo proviene de todas partes en un agujero coronal, sino que está subestructurado dentro de agujeros coronales a estas células de supergranulación. Proviene de estos pequeños haces de energía magnética que están asociados con los flujos de convección. Nuestros resultados, creemos, son una fuerte evidencia de que es la reconexión lo que está haciendo eso”.
Las estructuras del embudo probablemente corresponden a las brillantes jetlets que se pueden ver desde la Tierra dentro de los agujeros coronales, como informó recientemente Nour Raouafi, coautor del estudio y científico del proyecto Parker Solar Probe en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins. APL, ubicada en Laurel, Maryland, diseñó, construyó, administra y opera la nave espacial.
“Resolver el misterio del viento solar ha sido un sueño de seis décadas de muchas generaciones de científicos”, dijo Raouafi. “Ahora, nos estamos aferrando al fenómeno físico que impulsa el viento solar en su origen: la corona”.
Sumergirse en el sol
Para cuando el viento solar llega a la Tierra, a 93 millones de millas del sol, se ha convertido en un flujo homogéneo y turbulento de campos magnéticos turbulentos entrelazados con partículas cargadas que interactúan con el propio campo magnético de la Tierra y descargan energía eléctrica en la atmósfera superior. Esto excita los átomos, produciendo coloridas auroras en los polos, pero tiene efectos que se filtran hacia la atmósfera de la Tierra. Predecir los vientos más intensos, llamados tormentas solares, y sus consecuencias cercanas a la Tierra es una misión del programa Living With a Star de la NASA, que financió a Parker.
La imagen anterior marcada con líneas de colores que indican los límites de las líneas de campo abierto (apuntar hacia afuera es rojo, apuntar hacia adentro es azul) según lo predicho por un modelo de computadora. Estas regiones corresponden bien a los agujeros coronales en el mapa EUV. Las cajas blancas muestran los puntos de origen de las líneas de campo magnético por las que pasó la sonda solar Parker mientras viajaba a través de la superficie del sol.
La sonda fue diseñada para determinar cómo se ve este viento turbulento donde se genera cerca de la superficie del sol, o fotosfera, y cómo las partículas cargadas del viento (protones, electrones e iones más pesados, principalmente núcleos de helio) se aceleran para escapar de la gravedad del sol.
Para hacer esto, Parker tuvo que acercarse a más de 25 a 30 radios solares, es decir, más cerca de unos 13 millones de millas.
“Una vez que llegas por debajo de esa altitud, 25 o 30 radios solares más o menos, hay mucha menos evolución del viento solar, y es más estructurado: ves más huellas de lo que estaba en el sol”, dijo Bale.
En 2021, los instrumentos de Parker registraron retrocesos de campo magnético en las ondas de Alfvén que parecían estar asociados con las regiones donde se genera el viento solar. Para cuando la sonda alcanzó unos 12 radios solares desde la superficie del sol, 5.2 millones de millas, los datos eran claros de que la sonda estaba pasando a través de chorros de material, en lugar de mera turbulencia. Bale, Drake y sus colegas rastrearon estos chorros hasta las células de supergranulación en la fotosfera, donde los campos magnéticos se agrupan y se canalizan hacia el sol.
Pero, ¿estaban las partículas cargadas siendo aceleradas en estos embudos por la reconexión magnética, que lanzaría partículas hacia afuera, o por ondas de plasma caliente (partículas ionizadas y campo magnético) que salen del sol, como si estuvieran surfeando una ola?
El hecho de que Parker detectara partículas de energía extremadamente alta en estos chorros, de decenas a cientos de kiloelectronvoltios (keV), frente a unos pocos keV para la mayoría de las partículas de viento solar, le dijo a Bale que tiene que ser la reconexión magnética la que acelera las partículas y genera las ondas de Alfvén, lo que probablemente da a las partículas un impulso adicional.
“Nuestra interpretación es que estos chorros de flujo de salida de reconexión excitan las ondas de Alfvén a medida que se propagan”, dijo Bale. “Esa es una observación que también es bien conocida por la cola magnética de la Tierra, donde tienes un tipo similar de procesos. No entiendo cómo la amortiguación de ondas puede producir estas partículas calientes de hasta cientos de keV, mientras que surge naturalmente del proceso de reconexión. Y también lo vemos en nuestras simulaciones”.
La sonda solar Parker no podrá acercarse más al sol que aproximadamente 8.8 radios solares sobre la superficie, aproximadamente 4 millones de millas, sin freír sus instrumentos. Bale espera solidificar las conclusiones del equipo con datos de esa altitud, aunque el sol ahora está entrando en el máximo solar, cuando la actividad se vuelve mucho más caótica y puede oscurecer los procesos que los científicos están tratando de ver.
“Hubo cierta consternación al comienzo de la misión de la sonda solar de que vamos a lanzar esto directamente a la parte más silenciosa y aburrida del ciclo solar”, dijo Bale. “Pero creo que sin eso, nunca habríamos entendido esto. Habría sido demasiado desordenado. Creo que tenemos suerte de haberlo lanzado en el mínimo solar”.
Referencia: El trabajo fue financiado por la NASA (Contrato NNN06AA01C).