¿Por qué la corona es mucho más caliente que la superficie del Sol?

En un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal, un investigador de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), parte del Sistema Universitario de Alabama, explora aspectos críticos de un fenómeno llamado ondas cinéticas de Alfvén (KAW) para proporcionar nuevos conocimientos sobre un antiguo misterio de la heliofísica.

Syed Ayaz, asistente de investigación de posgrado en el Centro de Plasma Espacial e Investigación Aeronómica (CSPAR) de la UAH, examinó el papel potencialmente fundamental de las KAW en el calentamiento de la corona solar, lo que acerca a la ciencia un paso más a resolver el enigma de por qué la corona es mucho más caliente que la superficie del propio sol.

«Durante décadas, se ha demostrado que las ondas de Alfvén son las mejores candidatas para transportar energía de un lugar a otro», dice Ayaz, señalando el papel potencial de las KAW en el impulso del calor coronal.

«Este artículo utiliza un enfoque novedoso para modelar partículas energéticas en plasmas espaciales, como las observadas por satélites como Viking y Freja, para responder cómo la energía electromagnética de las ondas, al interactuar con partículas, se transforma en calor durante el proceso de amortiguación a medida que las ondas se mueven a través del espacio.

«Nuestra investigación explora los campos electromagnéticos perturbados, el vector de flujo de Poynting y la tasa de entrega de energía de las ondas de Alfvén en la atmósfera solar».

La corona, o atmósfera solar, es una región enigmática que rodea nuestra estrella y que se extiende mucho más allá del disco visible del Sol, extendiéndose unos 8 millones de kilómetros por encima de la superficie del Sol. Sin embargo, la corona también se caracteriza por temperaturas extraordinariamente altas, un misterio que ha cautivado a los astrofísicos durante casi setenta años.

«Syed es uno de nuestros estudiantes destacados que recién está comenzando su carrera de investigación», dice el Dr. Gary Zank, director del CSPAR y presidente de Aerojet Rocketdyne del Departamento de Ciencias Espaciales de la UAH. «Su interés permanente en las ondas de Alfvén comenzó cuando era estudiante en Pakistán y trabajaba con su El Dr. Imran A. Kahn, mentor de Syed, ha dado como resultado su investigación de estas ondas a escalas muy pequeñas, la llamada escala cinética en un plasma.

«Su trabajo ofrece importantes perspectivas sobre el problema crítico de cómo la energía en un campo magnético se transforma para calentar un plasma que comprende partículas cargadas como protones y electrones. Una razón por la que el trabajo de Syed es importante es porque todavía no entendemos por qué la atmósfera del sol tiene más de 1 millón de grados, en comparación con la superficie del sol, que tiene una temperatura comparativamente fría de 6.500 grados».

Las ondas cinéticas de Alfvén, abundantes en todo el universo de plasma, son oscilaciones de los iones y el campo magnético a medida que se mueven a través del plasma solar. Las ondas se forman por movimientos en la fotosfera, la capa exterior del sol que irradia luz visible.

«Mi principal interés en estas ondas surgió a raíz de los lanzamientos de las misiones Parker Solar Probe y Solar Orbiter, que plantearon la cuestión crucial de cómo se calienta la corona solar», dice Ayaz. «Hasta ahora, ninguna misión espacial ha proporcionado predicciones sobre estos fenómenos cerca del Sol, específicamente, dentro del rango de radios solares 0-10. Nuestro objetivo principal es investigar el calentamiento por KAW dentro de estos rangos en la corona solar».

«Nos centramos en el calentamiento y el intercambio de energía facilitados por las KAW», señala el investigador. «La razón del gran interés en estas ondas radica en su capacidad para transportar energía. Los datos de observación de numerosas naves espaciales e investigaciones teóricas han demostrado consistentemente que las KAW se disipan y contribuyen al calentamiento de la corona solar durante su propagación en el espacio».

Debido a estas propiedades únicas, las ondas proporcionan un mecanismo crítico para transferir energía, importante para comprender el intercambio de energía entre los campos electromagnéticos y las partículas de plasma.

«Las KAW operan en pequeñas escalas cinéticas y son capaces de soportar fluctuaciones paralelas del campo eléctrico y magnético, lo que permite una transferencia de energía entre el campo de ondas y las partículas de plasma a través de un fenómeno llamado interacciones de Landau», dice Ayaz.

«El presente trabajo utilizó y exploró el mecanismo de amortiguación de Landau, que ocurre cuando las partículas que se mueven en paralelo a una onda tienen velocidades comparables a la velocidad de fase de la onda».

La amortiguación de Landau es una disminución exponencial en función del tiempo de ondas particulares en el plasma. «Cuando las partículas interactúan con la onda, reciben/pierden energía, un término llamado ‘condición resonante'», dice Ayaz.

«Esto puede dar como resultado que la onda entregue su energía a las partículas o que gane energía de ellas, lo que hace que las partículas se amortigüen o crezcan. Nuestra investigación descubre que las ondas KAW se disipan rápidamente, transfiriendo completamente su energía a las partículas de plasma en forma de calentamiento. Esta transferencia de energía acelera las partículas a lo largo de distancias espaciales más largas, lo que afecta significativamente la dinámica del plasma».

Los conocimientos analíticos extraídos de este estudio encontrarán aplicaciones prácticas para comprender los fenómenos que ocurren dentro de la atmósfera solar, en particular arrojando luz sobre el importante papel que desempeñan las partículas no térmicas en los procesos de calentamiento.

Con información de The Astrophysical Journal