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.

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La Sonda Solar Parker (PSP) de la NASA ha volado lo suficientemente cerca del sol para detectar la fina estructura del viento solar cerca de donde se genera en la superficie del sol, revelando detalles que se pierden cuando 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 del chorro de agua que te golpea en la cara.

En un artículo que se publicará 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, informa que PSP tiene detectó 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 de campo magnético emergen de la superficie sin retroceder hacia adentro, formando así líneas de campo abiertas 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 de calma del sol, por lo que el viento solar rápido que generan no golpea la Tierra. Pero cuando el sol se vuelve activo cada 11 años a medida que cambia su campo magnético, estos agujeros aparecen por 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 transportan 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 afectará nuestra capacidad para comprender cómo el sol libera energía y genera tormentas geomagnéticas, que son una amenaza para nuestras redes de comunicación”.

Según el análisis del equipo, los agujeros coronales son como cabezales de ducha, con chorros espaciados de manera aproximadamente uniforme que emergen de puntos brillantes donde las líneas del campo magnético entran y salen de la superficie del sol. Los científicos argumentan que cuando los campos magnéticos dirigidos de manera opuesta se cruzan en estos embudos, que pueden tener 18,000 millas de ancho, los campos a menudo se rompen y se vuelven a conectar, 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 descienden, arrastran el campo magnético en su camino hacia este tipo de embudo descendente. El campo magnético se intensifica mucho allí porque simplemente está atascado. Es una especie de bola 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 la sonda solar”.

Con base en la presencia de algunas partículas de energía extremadamente alta que PSP 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 generarse mediante este proceso, que se denomina reconexión magnética. El PSP se lanzó en 2018 principalmente para resolver dos explicaciones contradictorias sobre el origen de las partículas de alta energía que componen el viento solar: reconexión magnética o 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 rápido viento solar”, dijo Bale. “No solo proviene de todas partes en un orificio coronal, está subestructurado dentro de los orificios coronales de estas células de supergranulación. Proviene de estos pequeños paquetes de energía magnética que están asociados con los flujos de convección. Creemos que nuestros resultados son una fuerte evidencia que es la reconexión la que está haciendo eso”.

Las estructuras del embudo probablemente correspondan a los chorros brillantes 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 diseñó, construyó, administra y opera la nave espacial.

Sumergiéndome en el Sol

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 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 auroras de colores 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.

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, PSP tuvo que acercarse más de 25 a 30 radios solares, es decir, más cerca de 13 millones de millas.

“Una vez que estás por debajo de esa altitud, 25 o 30 radios solares más o menos, hay mucha menos evolución del viento solar y está más estructurado: ves más huellas de lo que estaba en el sol”, dijo Bale.

En 2021, los instrumentos de PSP registraron cambios en el campo magnético en las ondas de Alfvén que parecían estar asociadas con las regiones donde se genera el viento solar. 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 meras turbulencias. 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, ¿las partículas cargadas se aceleraron en estos embudos por reconexión magnética, que lanzaría partículas hacia afuera, o por ondas de plasma caliente (partículas ionizadas y campo magnético) que salían del sol, como si estuvieran surfeando una ola?

El hecho de que PSP 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 del viento solar) le dijo a Bale que tiene que ser la reconexión magnética la que acelera las partículas y genera el Ondas de Alfvén, que probablemente le den a las partículas un impulso extra.

“Nuestra interpretación es que estos chorros de salida de reconexión excitan las ondas de Alfvén a medida que se propagan”, dijo Bale. “Esa es una observación que también se conoce bien de la cola magnética de la Tierra, donde tiene procesos similares. No entiendo cómo la amortiguación de ondas puede producir estas partículas calientes hasta cientos de keV, mientras que surge naturalmente del proceso de reconexión”. Y lo vemos en nuestras simulaciones también”.

El PSP no podrá acercarse al sol más de unos 8,8 radios solares sobre la superficie, unos 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 íbamos a lanzar esto justo en la parte más tranquila y aburrida del ciclo solar”, dijo Bale. “Pero creo que sin eso, nunca hubiéramos entendido esto. Hubiera sido demasiado complicado. Creo que tenemos suerte de haberlo lanzado en el mínimo solar”.