El método de heliosismología puede medir la opacidad radiativa solar en condiciones extremas

Un equipo de investigadores ha desarrollado un método innovador que utiliza la heliosismología para medir la opacidad radiativa solar en condiciones extremas. Su trabajo, publicado en Nature Communications, no solo revela lagunas en nuestro conocimiento de la física atómica, sino que también confirma resultados experimentales recientes, abriendo así nuevas perspectivas en la astrofísica y la física nuclear.

La heliosismología es una disciplina dedicada al estudio de las oscilaciones acústicas del Sol, lo que nos permite sondear el interior de nuestra estrella con una precisión notable. Al analizar estas ondas, es posible reconstruir parámetros fundamentales como la densidad, la temperatura y la composición química del plasma solar, elementos esenciales para comprender cómo funciona y evoluciona nuestra estrella. Este método transforma el Sol en un verdadero laboratorio astrofísico, proporcionando datos cruciales para refinar los modelos estelares y comprender mejor la evolución de las estrellas en el universo.

Un nuevo estudio internacional, dirigido por Gaël Buldgen, investigador de la Universidad de Lieja, ha utilizado técnicas heliosísmicas para proporcionar una medida independiente de la absorción de la radiación de alta energía por el plasma solar en las capas profundas de su estructura. Este trabajo colaborativo arroja nueva luz sobre la opacidad radiativa solar, una magnitud física crucial para comprender la interacción entre la materia y la radiación en las condiciones extremas del interior del sol.

Los resultados confirman las observaciones realizadas en laboratorios como los Laboratorios Nacionales Sandia y los esfuerzos en curso en el Laboratorio Nacional Livermore, al tiempo que revelan lagunas persistentes en nuestra comprensión de la física atómica y diferencias entre las predicciones de los grupos de investigación del Laboratorio Nacional de Los Álamos, la Universidad Estatal de Ohio y el centro de investigación del CEA Paris-Saclay en Francia.

Una precisión sin precedentes en la modelización estelar

El equipo científico ha utilizado herramientas numéricas avanzadas desarrolladas en la ULiège, aprovechando la experiencia de la universidad en heliosismología y modelización estelar.

«Al detectar las ondas acústicas del Sol con una precisión sin precedentes, podemos reconstruir las propiedades internas de nuestra estrella, de la misma manera que deduciríamos las características de un instrumento musical a partir de los sonidos que produce», explica Buldgen.

La precisión de las mediciones heliosísmicas es excepcional: permiten estimar la masa de un centímetro cúbico de materia en el interior del Sol con una precisión que supera la de una báscula de cocina de alta precisión sin siquiera ver ni tocar la materia. La heliosismología, desarrollada a finales del siglo XX, ha desempeñado un papel importante en el avance de la física fundamental.

En particular, ha contribuido a importantes descubrimientos, como las oscilaciones de neutrinos, reconocidas en 2015 con el Premio Nobel. Estos avances demostraron que los modelos solares no eran los responsables del origen de este fenómeno. Sin embargo, con la revisión de la composición química solar en 2009, confirmada en 2021, se hicieron necesarios algunos ajustes. Esta revisión provocó una crisis en los modelos solares, que ya no coincidían con las observaciones heliosísmicas.

Para hacer frente a este desafío, se han desarrollado herramientas avanzadas en la Universidad de Lieja, inicialmente como parte del trabajo de doctorado, y luego enriquecidas mediante colaboraciones internacionales en Birmingham y Ginebra. Estas herramientas han permitido revisar las condiciones termodinámicas internas del sol y reabrir una cuestión que la comunidad científica había descuidado un poco.

Al mismo tiempo, el trabajo realizado en 2015 por James Bailey en el Laboratorio Nacional de Sandia puso de relieve el papel crucial de la opacidad radiativa. Las primeras mediciones experimentales fueron recibidas al principio con cierto escepticismo, ya que revelaban diferencias significativas con las predicciones teóricas.

La medida heliosísmica actual proporciona una valiosa confirmación y permite precisar los regímenes de temperatura, densidad y energía en los que deben concentrarse estos experimentos para reproducir mejor las condiciones solares. Además, los experimentos de la Máquina Z, aunque extremadamente valiosos, tienen costos energéticos y financieros prohibitivos. Las mediciones heliosísmicas, por otro lado, ofrecen una alternativa económica y complementaria al tiempo que guían a los experimentadores hacia ventanas óptimas para sus mediciones de laboratorio.

Las implicaciones de esta investigación se extienden mucho más allá del modelado estelar. Mejora la precisión de los modelos teóricos utilizados para estimar la edad y la masa de las estrellas y los exoplanetas, contribuyendo así a nuestra comprensión de la evolución galáctica y las poblaciones estelares.

«El sol es nuestro gran calibrador de la evolución estelar, nuestro laboratorio preferido para averiguar si estamos en el camino correcto o no. Estos resultados son aún más importantes ahora que nos preparamos para lanzar el satélite PLATO en 2026, uno de cuyos objetivos es caracterizar con precisión las estrellas de tipo solar para encontrar planetas terrestres habitables.

«Además, estos resultados tienen resonancias en la fusión nuclear, ya que el sol sigue siendo el único reactor de fusión nuclear estable en nuestro sistema solar. «Mejorar nuestra comprensión de las condiciones internas del Sol tiene un impacto directo en la investigación sobre la energía de fusión, un tema clave en el desarrollo de soluciones energéticas limpias», añade Buldgen.

Los resultados ponen de relieve la necesidad de mejorar los modelos atómicos existentes para resolver las discrepancias entre las observaciones experimentales y los cálculos teóricos. Estos avances deberían redefinir nuestra comprensión de la evolución estelar y de los procesos físicos que rigen la estructura y la evolución de las estrellas. Esta investigación confirma la posición de la Universidad de Lieja en la vanguardia de la ciencia astrofísica, demostrando el papel clave de la heliosismología para desvelar los misterios del cosmos.

Con información de Nature