La sonda Parker Solar descubre secretos intimos del Sol

La sonda Parker Solar de la NASA realiza nuevos e increíbles descubrimientos sobre el Sol a medida que se acerca al astro rey

Francisco Martín León Francisco Martín León 07 Dic 2019 - 03:00 UTC
Recreación de la sonda acercándose al Sol. Crédito de la imagen: NASA/Johns Hopkins APL

En Agosto de 2018, la sonda solar Parker de la NASA se lanzó al espacio, y pronto se convirtió en la nave espacial más cercana al Sol.

Con instrumentos científicos de vanguardia para medir el entorno alrededor de la nave espacial, Parker Solar ha completado tres de los 24 pases planificados a través de partes nunca antes exploradas de la atmósfera del Sol, la corona. El 4 de Diciembre de 2019, cuatro nuevos artículos en la revista Nature describen lo que los científicos han aprendido de esta exploración sin precedentes de nuestra estrella, y lo que esperan aprender a continuación.

Estos hallazgos revelan nueva información sobre el comportamiento del material y las partículas que se alejan del Sol, lo que acerca a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre la física de nuestra estrella. En la búsqueda para proteger a los astronautas y la tecnología en el espacio, la información que Parker ha descubierto sobre cómo el Sol expulsa constantemente material y energía ayudará a los científicos a reescribir los modelos que usamos para comprender y predecir el tiempo espacial alrededor de nuestro planeta y comprender el proceso mediante qué estrellas se crean y evolucionan.

"Estos primeros datos de Parker revelan nuestra estrella, el Sol, de formas nuevas y sorprendentes", dijo Thomas Zurbuchen, administrador asociado de ciencias en la sede de la NASA en Washington. “Observar el Sol de cerca en lugar de hacerlo desde una distancia mucho mayor nos está dando una visión sin precedentes de los fenómenos solares importantes y cómo nos afectan en la Tierra, y nos brinda nuevas ideas relevantes para la comprensión de las estrellas activas en las galaxias. Es solo el comienzo de un momento increíblemente emocionante para la heliofísica con Parker a la vanguardia de los nuevos descubrimientos ".

Aunque nos parezca plácido aquí en la Tierra, el Sol es todo menos silencioso. Nuestra estrella es magnéticamente activa, desencadenando poderosas ráfagas de luz, inundaciones de partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz y nubes de material magnetizado de miles de millones de toneladas. Toda esta actividad afecta a nuestro planeta, inyectando partículas dañinas en el espacio donde vuelan nuestros satélites y astronautas, interrumpiendo las comunicaciones y las señales de navegación e incluso, cuando es intenso, provocando cortes de energía. Ha estado sucediendo durante toda la vida de 5 mil millones de años del Sol, y continuará dando forma a los destinos de la Tierra y los otros planetas de nuestro sistema solar en el futuro.

"El Sol ha fascinado a la humanidad durante toda nuestra existencia", dijo Nour E. Raouafi, científico del proyecto de Parker Solar en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland, que construyó y administra la misión para la NASA. "Hemos aprendido mucho sobre nuestra estrella en las últimas décadas, pero realmente necesitábamos una misión como Parker Solar para entrar en la atmósfera del Sol". Es solo allí donde realmente podemos aprender los detalles de estos complejos procesos solares. Y lo que hemos aprendido solo en estas tres órbitas solares ha cambiado mucho de lo que sabemos sobre el Sol ".

Lo que sucede en el Sol es fundamental para comprender cómo da forma al espacio que nos rodea. La mayor parte del material que escapa del Sol es parte del viento solar, un flujo continuo de material solar que baña todo el sistema solar. Este gas ionizado, llamado plasma, lleva consigo el campo magnético del Sol, extendiéndolo a través del sistema solar en una burbuja gigante que se extiende por más de 10 mil millones de millas.

El Viento Solar Dinámico

Observado cerca de la Tierra, el viento solar es un flujo de plasma relativamente uniforme, con ocasionales caídas turbulentas. Pero para ese punto ya ha recorrido más de noventa millones de millas, y las firmas de los mecanismos exactos del Sol para calentar y acelerar el viento solar han desaparecido. Más cerca de la fuente del viento solar, Parker Solar vio una imagen muy diferente: un sistema complicado y activo.

"La complejidad fue alucinante cuando comenzamos a mirar los datos", dijo Stuart Bale, director de la Universidad de California, Berkeley, para el conjunto de instrumentos FIELDS de Parker Solar, que estudia la escala y la forma de los campos eléctricos y magnéticos. "Ahora me he acostumbrado. Pero cuando se los muestro a mis colegas por primera vez, simplemente están impresionados ". Desde el punto de vista de Parker a 15 millones de millas del Sol, explicó Bale, el viento solar es mucho más impulsivo e inestable que lo que vemos cerca de la Tierra.

Al igual que el propio Sol, el viento solar está formado por plasma, donde los electrones cargados negativamente se han separado de los iones cargados positivamente, creando un mar de partículas que flotan libremente con carga eléctrica individual. Estas partículas que flotan libremente significan que el plasma transporta campos eléctricos y magnéticos, y los cambios en el plasma a menudo dejan marcas en esos campos. Los instrumentos FIELDS inspeccionaron el estado del viento solar midiendo y analizando cuidadosamente cómo los campos eléctricos y magnéticos alrededor de la nave espacial cambiaron con el tiempo, junto con la medición de ondas en el plasma cercano.

Estas mediciones mostraron reversiones rápidas en el campo magnético y chorros de material repentinos y de movimiento más rápido, todas características que hacen que el viento solar sea más turbulento. Estos detalles son clave para comprender cómo el viento dispersa la energía a medida que fluye lejos del Sol y por todo el sistema solar.

Un tipo de evento en particular atrajo la atención de los equipos científicos: la reversión en la dirección del campo magnético, que fluye desde el Sol, incrustado en el viento solar. Estas reversiones, denominadas "conmutaciones", duran desde unos pocos segundos hasta varios minutos a medida que fluyen sobre la sonda solar Parker. Durante una conmutación, el campo magnético vuelve sobre sí mismo hasta apuntar casi directamente hacia el Sol. Juntos, FIELDS y SWEAP, el conjunto de instrumentos de viento solar liderado por la Universidad de Michigan y administrado por el Observatorio Astrofísico Smithsonian, midieron grupos de curvas en los primeros dos sobrevuelos de la sonda Parker Solar.

Parker Solar Probe observó perturbaciones en el viento solar que hicieron que el campo magnético se doblara sobre sí mismo, un fenómeno aún inexplicable que podría ayudar a los científicos a descubrir más información sobre cómo el viento solar acelera el Sol. Créditos: GSFC/Imagen Conceptual Lab/Adriana Manrique Gutierrez

"Se han visto ondas en el viento solar desde el comienzo de la era espacial, y asumimos que más cerca del Sol las ondas se volverían más fuertes, pero no esperábamos verlas organizarse en estos picos de velocidad estructurados coherentes", dijo Justin Kasper, investigador principal de SWEAP en la Universidad de Michigan en Ann Arbor. "Estamos detectando restos de estructuras del Sol que son arrojadas al espacio y cambiando violentamente la organización de los flujos y el campo magnético. Esto cambiará drásticamente nuestras teorías sobre cómo se calientan la corona y el viento solar ".

Aún no se conoce la fuente exacta de los cambios, pero las mediciones de Parker Solar han permitido a los científicos reducir las posibilidades.

Entre las muchas partículas que fluyen perpetuamente desde el Sol hay un haz constante de electrones que se mueven rápidamente, que circulan a lo largo de las líneas de campo magnético del Sol hacia el sistema solar. Estos electrones siempre fluyen estrictamente a lo largo de la forma de las líneas de campo que se mueven hacia afuera del Sol, independientemente de si el polo norte del campo magnético en esa región en particular apunta hacia o lejos del Sol. Pero la Sonda Parker Solar midió este flujo de electrones que van en la dirección opuesta, volteando hacia el Sol, lo que demuestra que el campo magnético en sí mismo debe doblarse hacia el Sol, en lugar de que la Sonda Parker Solar simplemente encuentre una línea de campo magnético diferente del Sol. Esto sugiere que los cambios son retorcimientos en el campo magnético: perturbaciones localizadas que se alejan del Sol, en lugar de un cambio en el campo magnético a medida que emerge del Sol.

Las observaciones de Parker Solar Probe sobre los cambios sugieren que estos eventos se volverán aún más comunes a medida que la nave espacial se acerque al Sol. El próximo encuentro solar de la misión el 29 de enero de 2020 llevará la nave espacial más cerca del Sol que nunca antes, y puede arrojar nueva luz sobre este proceso. Dicha información no solo ayuda a cambiar nuestra comprensión de las causas del viento solar y el clima espacial que nos rodea, sino que también nos ayuda a comprender un proceso fundamental de cómo funcionan las estrellas y cómo liberan energía en su entorno.

El viento solar giratorio

Algunas de las mediciones de Parker Solar están acercando a los científicos a las respuestas a preguntas de hace décadas. Una de esas preguntas es acerca de cómo, exactamente, el viento solar fluye del Sol.

Cerca de la Tierra, vemos que el viento solar fluye casi radialmente, lo que significa que fluye directamente desde el Sol, directamente en todas las direcciones. Pero el Sol gira mientras libera el viento solar; antes de liberarse, el viento solar giraba junto con él. Esto es un poco como los niños que viajan en el carrusel de un parque infantil: la atmósfera gira con el Sol al igual que la parte exterior del carrusel, pero cuanto más te alejas del centro, más rápido te mueves en el espacio. Un niño en el borde podría saltar y, en ese punto, moverse en línea recta hacia afuera, en lugar de continuar girando. De manera similar, hay un punto entre el Sol y la Tierra, el viento solar pasa de girar junto con el Sol a fluir directamente hacia afuera, o radialmente, como vemos desde la Tierra.

Exactamente donde el viento solar pasa de un flujo rotacional a un flujo perfectamente radial tiene implicaciones sobre cómo el Sol arroja energía. Encontrar ese punto puede ayudarnos a comprender mejor el ciclo de vida de otras estrellas o la formación de discos protoplanetarios, los densos discos de gas y polvo alrededor de estrellas jóvenes que eventualmente se unen en planetas.

Ahora, por primera vez, en lugar de solo ver ese flujo directo que vemos cerca de la Tierra, Parker Solar pudo observar el viento solar mientras todavía estaba girando. Es como si Parker Solar tuviera una vista del carrusel giratorio directamente por primera vez, no solo de los niños que saltan de él. El instrumento de viento solar de Parker Solar detectó la rotación comenzando a más de 20 millones de millas del Sol, y cuando Parker se acercó a su punto de perihelio, la velocidad de la rotación aumentó. La fuerza de la circulación fue más fuerte de lo que muchos científicos habían predicho, pero también hizo una transición más rápida de lo previsto a un flujo externo, que es lo que ayuda a enmascarar estos efectos desde donde nos sentamos, a unos 93 millones de millas del Sol.

"El gran flujo rotacional del viento solar visto durante los primeros encuentros ha sido una verdadera sorpresa", dijo Kasper. "Si bien esperamos ver un movimiento rotacional más cercano al Sol, las altas velocidades que estamos viendo en estos primeros encuentros son casi diez veces más grandes que lo predicho por los modelos estándar ".

Polvo cerca del Sol

Otra pregunta que se acerca a una respuesta es la esquiva zona libre de polvo. Nuestro sistema solar está inundado de polvo: las migajas cósmicas de colisiones que formaron planetas, asteroides, cometas y otros cuerpos celestes hace miles de millones de años. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que, cerca del Sol, este polvo se calentaría a altas temperaturas por la potente luz solar, convirtiéndolo en un gas y creando una región libre de polvo alrededor del Sol. Pero nadie lo había observado nunca.

Por primera vez, las imágenes de Parker Solar vieron que el polvo cósmico comenzaba a diluirse. Debido a que WISPR, el instrumento de imágenes de Parker Solar desde el costado de la nave espacial, puede ver amplias franjas de la corona y el viento solar, incluidas las regiones más cercanas al Sol. Estas imágenes muestran que el polvo comienza a diluirse a poco más de 7 millones de millas del Sol, y esta disminución en el polvo continúa constantemente hasta los límites actuales de las mediciones de WISPR a poco más de 4 millones de millas del Sol.

La sonda Parker Solar vio cómo el polvo cósmico (ilustrado aquí), disperso por todo nuestro sistema solar, comienza a diluirse cerca del Sol, apoyando la idea de una zona libre de polvo cerca del Sol. Créditos: GSFC/Scott Wiessinger

"Esta zona libre de polvo se predijo hace décadas, pero nunca se había visto antes", dijo Russ Howard, investigador principal de WISPR en el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, D.C. " Ahora estamos viendo lo que le sucede al polvo cerca del Sol ".

Al ritmo de pérdida, los científicos esperan ver una zona verdaderamente libre de polvo que comience a poco más de 2-3 millones de millas del Sol, lo que significa que la sonda Parker Solar podría observar la zona libre de polvo ya en 2020, cuando su sexto sobrevuelo del Sol la llevará más cerca de nuestra estrella que nunca.

Poner el tiempo espacial bajo un microscopio

Las mediciones de Parker Solar nos han dado una nueva perspectiva sobre dos tipos de eventos climáticos espaciales: tormentas de partículas energéticas y eyecciones de masa coronal.

Las partículas diminutas, tanto electrones como iones, son aceleradas por la actividad solar, creando tormentas de partículas energéticas. Los eventos en el Sol pueden enviar estas partículas disparadas hacia el sistema solar a casi la velocidad de la luz, lo que significa que llegan a la Tierra en menos de media hora y pueden impactar a otros mundos en escalas de tiempo igualmente cortas. Estas partículas transportan mucha energía, por lo que pueden dañar la electrónica de las naves espaciales e incluso poner en peligro a los astronautas, especialmente aquellos en el espacio profundo, fuera de la protección del campo magnético de la Tierra, y el corto tiempo de advertencia para tales partículas hace que sea difícil evitarlas.

Comprender exactamente cómo se aceleran estas partículas a velocidades tan altas es crucial. Pero a pesar de que llegan a la Tierra en tan solo unos minutos, todavía es tiempo suficiente para que las partículas pierdan las firmas de los procesos que las aceleraron en primer lugar. Al girar alrededor del Sol a solo unos pocos millones de millas de distancia, la Sonda Parker Solar puede medir estas partículas justo después de haber salido del Sol, arrojando nueva luz sobre cómo se liberan.
Los instrumentos ISʘIS de Parker Solar, liderados por la Universidad de Princeton, han medido varios eventos de partículas energéticas nunca antes vistos, eventos tan pequeños que se pierden todos los rastros antes de que lleguen a la Tierra o cualquiera de nuestros satélites cercanos a la Tierra. Estos instrumentos también han medido un tipo raro de explosión de partículas con un número particularmente alto de elementos más pesados, lo que sugiere que ambos tipos de eventos pueden ser más comunes de lo que los científicos pensaban anteriormente.

"Es sorprendente, incluso en condiciones mínimas solares, el Sol produce muchos más pequeños eventos de partículas energéticas de lo que pensamos", dijo David McComas, investigador principal de la suite de ISʘIS, en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. "Estas medidas nos ayudarán a desentrañar las fuentes, la aceleración y el transporte de partículas energéticas solares y, en última instancia, proteger mejor los satélites y los astronautas en el futuro".

Los datos de los instrumentos WISPR también proporcionaron detalles sin precedentes sobre estructuras en la corona y el viento solar, incluidas expulsiones de masa coronal, nubes de material solar de miles de millones de toneladas que el Sol envía a toda velocidad hacia el sistema solar. Las CME pueden desencadenar una variedad de efectos en la Tierra y otros mundos, desde las auroras hasta la inducción de corrientes eléctricas que pueden dañar las redes eléctricas y las tuberías. La perspectiva única de WISPR, al mirar estos eventos a medida que se alejan del Sol, ya ha arrojado nueva luz sobre la gama de eventos que nuestra estrella puede desencadenar.

"Dado que la sonda Parker Solar coincidía con la rotación del Sol, pudimos observar la salida de material durante días y ver la evolución de las estructuras", dijo Howard. "Las observaciones cerca de la Tierra nos han hecho pensar que las estructuras finas en la corona se convierten en un flujo suave, y estamos descubriendo que eso no es cierto. Esto nos ayudará a modelar mejor cómo viajan los eventos entre el Sol y la Tierra".

A medida que Parker Solar continúa su viaje, realizará 21 aproximaciones más cercanas al Sol a distancias cada vez más cercanas, culminando en tres órbitas a solo 3.83 millones de millas de la superficie solar.

"El Sol es la única estrella que podemos examinar de cerca", dijo Nicola Fox, director de la División de Heliofísica en la sede de la NASA. “Obtener datos en la fuente ya está revolucionando nuestra comprensión de nuestra propia estrella y estrellas en todo el universo. Nuestra pequeña nave espacial está combatiendo en condiciones brutales para enviar a casa revelaciones sorprendentes y emocionantes ".

4/12/2019

La NASA en Español

Esta entrada se publicó en Reportajes y está etiquetada con Sonda Parker Solar, sol, en 07 Dic 2019 por Francisco Martín León
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