Besando el Sol: Desentrañando los misterios del viento solar

Utilizando datos recopilados por la sonda solar Parker de la NASA durante su aproximación más cercana al Sol, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Arizona ha medido la dinámica y la constante evolución de la capa de gas caliente de donde se origina el viento solar.

Publicados en Geophysical Research Letters, los hallazgos no solo ayudan a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre la energía y la materia que se mueven a través de la heliosfera (el volumen de espacio controlado por la actividad solar), lo cual afecta no solo a la Tierra y la Luna, sino a todos los planetas del sistema solar, extendiéndose hasta el espacio interestelar. Estos efectos incluyen importantes fenómenos meteorológicos espaciales.

«Una de las cosas que nos preocupa como sociedad tecnológicamente avanzada es cómo nos impacta el Sol, la estrella con la que convivimos», afirmó Kristopher Klein, profesor asociado del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona, quien dirigió el estudio de investigación.

Por ejemplo, durante una eyección de masa coronal, el Sol expulsa fragmentos de su atmósfera (partículas cargadas y altamente energéticas) al sistema solar, donde interactúan con el campo magnético terrestre, con distintos efectos en los satélites, las comunicaciones por radio e incluso la radiación a la que se exponen los pasajeros de los aviones al sobrevolar los polos, explicó Klein.

«Si podemos comprender mejor la atmósfera solar a través de la cual se desplazan estas partículas energéticas, mejoraremos nuestra capacidad para predecir cómo se propagarán estas erupciones solares por el sistema solar y cómo, eventualmente, impactarán con la Tierra», afirmó.

Capas y estructura del Sol

Si bien la idea de que el Sol tenga atmósfera puede parecer difícil de imaginar, dado que nuestra estrella es esencialmente una bola de plasma (gas de hidrógeno ionizado y caliente) sin una superficie apreciable, un siglo de estudio de sus propiedades ha dado lugar a una imagen más matizada. El núcleo, donde el hidrógeno se fusiona nuclearmente para formar helio, es el horno que impulsa la actividad solar, lo que provoca que irradie energía constantemente al espacio.

Varias capas envuelven el núcleo, y las más externas forman la atmósfera solar. La fotosfera, donde se encuentran las manchas solares, está rodeada por una fina capa conocida como cromosfera, de la que pueden surgir erupciones y que forma la superficie irregular que se observa al observar el Sol a través de un telescopio equipado con filtros especiales para una observación segura.

La corona, la capa atmosférica más externa del Sol, es un halo difuso de plasma oculto a la vista por el intenso brillo de la estrella, salvo breves momentos durante un eclipse solar total.

Encuentros cercanos de la Sonda Solar Parker

Lanzada en 2018, la Sonda Solar Parker se ha acercado al Sol más que cualquier otra misión espacial anterior. Orbitando el Sol en una órbita compleja, que incluye siete pasadas por Venus, la sonda alcanzó su primer máximo acercamiento en la víspera de Navidad de 2024. Estos acercamientos han permitido al equipo científico cartografiar el «límite exterior» del Sol de una manera que hasta ahora no era posible.

En un giro contraintuitivo, a medida que el plasma emerge del núcleo solar, se enfría de 27 millones de grados a unos 10 000 grados Fahrenheit en la fotosfera visible, pero a medida que se expande hacia la corona, se calienta de nuevo, alcanzando temperaturas superiores a los 2 millones de grados.

Los procesos que impulsan esta extraña dinámica implican complejas interacciones de las partículas cargadas del Sol con potentes campos magnéticos que se doblan, giran e incluso se retraen sobre sí mismos, con detalles poco comprendidos que han desconcertado a los heliofísicos hasta el día de hoy.

Desentrañando el misterio del calentamiento solar

«Sabemos que el viento solar recibe un calor constante y queremos comprender qué mecanismos lo provocan», afirmó Klein.

«Hemos creado modelos simplificados y realizado simulaciones por computadora, pero con el lanzamiento de la Sonda Solar Parker y estos cálculos detallados de la estructura de la distribución de velocidad de las partículas, podemos mejorar dichos modelos y calcular cómo se produce el calentamiento a distancias tan cortas, nunca antes medidas».

Antes de enviar una nave espacial robótica capaz de «rozar el Sol», como el equipo de Parker denominó el sobrevuelo más cercano de la sonda, acercándola a 6,1 millones de kilómetros sobre la superficie solar, los investigadores solo podían describir este calentamiento utilizando modelos simples para la distribución de partículas cargadas.

«Una de las preguntas más urgentes que buscamos responder es cómo se calienta el viento solar al ser acelerado desde la superficie solar», concluyó. Con estas nuevas mediciones y cálculos, estamos redefiniendo nuestra comprensión de cómo se mueve la energía a través de la atmósfera exterior del Sol.

Código ALPS e implicaciones más amplias

Un código numérico desarrollado por el equipo de Klein, denominado Arbitrary Linear Plasma Solver (ALPS), permitió a los investigadores analizar la distribución real medida, en lugar de usar un modelo simplificado, para determinar cómo se mueven las ondas a través del plasma que Parker mide y, lo que es más importante, cómo cambia el calentamiento a medida que las partículas se alejan del Sol.

En el punto de no retorno, donde nace el viento solar, comienzan a enfriarse, pero mucho más lentamente de lo esperado para un gas en simple expansión, explicó Klein. Este proceso se conoce como amortiguamiento y es otro misterio aún por resolver.

Con las observaciones de ALPS y Parker, el equipo puede medir con detalle cuánta energía se imparte a las diferentes especies de partículas cargadas en el viento solar, afirmó Klein, explicando que esta capacidad cambia la comprensión de los investigadores sobre dicho proceso, no solo para el Sol, sino para todos los objetos astrofísicos que involucran plasma caliente y campos magnéticos.

«Si logramos comprender el amortiguamiento del viento solar, podremos aplicar ese conocimiento sobre la disipación de energía a fenómenos como el gas interestelar, los discos de acreción alrededor de los agujeros negros, las estrellas de neutrones y otros objetos astrofísicos».

Con información de AGU