Una alineación cósmica y un poco de gimnasia espacial han proporcionado una medición innovadora que está ayudando a resolver el misterio cósmico de 65 años de antigüedad de por qué la atmósfera del sol es tan caliente.
La atmósfera del sol se llama corona. Está compuesto por un gas cargado eléctricamente llamado plasma y tiene una temperatura de alrededor de un millón de grados centígrados.
Su temperatura es un misterio perdurable porque la superficie del Sol tiene sólo alrededor de 6000 grados Celsius. La corona debería ser más fría que la superficie porque la energía del sol proviene del horno nuclear en su núcleo, y las cosas naturalmente se enfrían cuanto más lejos están de una fuente de calor. Sin embargo, la corona es más de 150 veces más caliente que la superficie.
Debe estar funcionando otro método para transferir energía al plasma, pero ¿cuál?
Desde hace mucho tiempo se sospecha que las turbulencias en la atmósfera solar podrían provocar un calentamiento significativo del plasma en la corona. Pero cuando se trata de investigar este fenómeno, los físicos solares se topan con un problema práctico: es imposible recopilar todos los datos que necesitan con una sola nave espacial.
Hay dos formas de investigar el sol: teledetección y mediciones in situ. En la teledetección, la nave espacial se coloca a cierta distancia y utiliza cámaras para observar el sol y su atmósfera en diferentes longitudes de onda. Para las mediciones in situ, la nave espacial vuela a través de la región que desea investigar y toma medidas de las partículas y los campos magnéticos en esa parte del espacio.
Ambos enfoques tienen sus ventajas. La teledetección muestra resultados a gran escala, pero no los detalles de los procesos que ocurren en el plasma. Mientras tanto, las mediciones in situ brindan información muy específica sobre los procesos a pequeña escala en el plasma, pero no muestran cómo afecta esto a gran escala.
Para tener una visión completa, se necesitan dos naves espaciales. Esto es exactamente lo que tienen actualmente los físicos solares con la nave espacial Solar Orbiter liderada por la ESA y la sonda solar Parker de la NASA. Solar Orbiter está diseñado para acercarse lo más posible al Sol y aún realizar operaciones de detección remota, junto con mediciones in situ. Parker Solar Probe renuncia en gran medida a la detección remota del sol para acercarse aún más para sus mediciones in situ.
Pero para aprovechar al máximo sus enfoques complementarios, Parker Solar Probe tendría que estar dentro del campo de visión de uno de los instrumentos de Solar Orbiter. De esta manera, Solar Orbiter podría registrar las consecuencias a gran escala de lo que Parker Solar Probe estaba midiendo in situ.
Daniele Telloni, investigador del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en el Observatorio Astrofísico de Turín, forma parte del equipo detrás del instrumento Metis de Solar Orbiter. Metis es un coronógrafo que bloquea la luz de la superficie del sol y toma fotografías de la corona. Es el instrumento perfecto para mediciones a gran escala, por lo que Daniele comenzó a buscar momentos en los que Parker Solar Probe se alinearía.
“La tasa de calentamiento de la corona en el lento viento solar”, de D. Telloni et al., se publica en The Astrophysical Journal Letters.
Descubrió que el 1 de junio de 2022, las dos naves espaciales estarían en la configuración orbital correcta, casi. Esencialmente, Solar Orbiter estaría mirando al sol y Parker Solar Probe estaría justo a un lado, tentadoramente cerca pero fuera del campo de visión del instrumento Metis.
Mientras Daniele observaba el problema, se dio cuenta de que todo lo que se necesitaba para que Parker Solar Probe estuviera a la vista era un poco de gimnasia con Solar Orbiter: un giro de 45 grados y luego apuntarlo ligeramente en dirección opuesta al sol.
Pero cuando cada maniobra de una misión espacial se planifica cuidadosamente de antemano, y las naves espaciales están diseñadas para apuntar sólo en direcciones muy específicas, especialmente cuando se enfrentan al temible calor del sol, no estaba claro que el equipo de operaciones de la nave autorizaría tal una desviación. Sin embargo, una vez que todos tuvieron claro el potencial beneficio científico, la decisión fue un claro “sí”.
El balanceo y el apuntamiento desplazado siguieron adelante; Parker Solar Probe entró en el campo de visión y, juntas, las naves espaciales produjeron las primeras mediciones simultáneas de la configuración a gran escala de la corona solar y las propiedades microfísicas del plasma.
“Este trabajo es el resultado de las contribuciones de muchísimas personas”, afirma Daniele, que dirigió el análisis de los conjuntos de datos. Trabajando juntos, pudieron realizar la primera estimación combinada observacional e in situ de la tasa de calentamiento coronal.
“La capacidad de utilizar tanto Solar Orbiter como Parker Solar Probe realmente ha abierto una dimensión completamente nueva en esta investigación”, afirma Gary Zank, de la Universidad de Alabama en Huntsville, EE. UU., y coautor del artículo resultante.
Al comparar la tasa recién medida con las predicciones teóricas que han hecho los físicos solares a lo largo de los años, Daniele ha demostrado que es casi seguro que los físicos solares tenían razón al identificar la turbulencia como una forma de transferir energía.
La forma específica en que la turbulencia hace esto no es diferente de lo que sucede cuando revuelves tu taza de café de la mañana. Al estimular movimientos aleatorios de un fluido, ya sea gaseoso o líquido, se transfiere energía a escalas cada vez más pequeñas, lo que culmina con la transformación de energía en calor. En el caso de la corona solar, el fluido también está magnetizado y, por lo tanto, la energía magnética almacenada también está disponible para convertirse en calor.
Esta transferencia de energía magnética y de movimiento de escalas mayores a menores es la esencia misma de la turbulencia. En las escalas más pequeñas, esto permite que las fluctuaciones interactúen finalmente con partículas individuales, en su mayoría protones, y las calienten.
Se necesita más trabajo antes de que podamos decir que el problema del calentamiento solar está resuelto pero ahora, gracias al trabajo de Daniele, los físicos solares tienen su primera medición de este proceso.
“Se trata de una primicia científica. Este trabajo representa un importante paso adelante para resolver el problema del calentamiento de la corona”, afirma Daniel Müller, científico del proyecto.
Con información de The Astrophysical Journal Letters
