El telescopio solar Inouye ha permitido un importante descubrimiento de un proceso solar oculto hasta ahora

Científicos que utilizan el telescopio solar Daniel K. Inouye de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos han logrado un importante avance en la física solar al descubrir la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz en la superficie del Sol, un hallazgo que podría ayudar a explicar la actividad solar explosiva y otros fenómenos solares.

El Observatorio Solar Nacional de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF NSO) anunció un importante avance en la física solar. Utilizando el telescopio solar más potente del mundo, el Telescopio Solar Daniel K. Inouye de la NSF, ubicado cerca de la cima del Haleakalā en Maui, y en combinación con simulaciones por computadora, un equipo internacional de científicos del NSO, el Observatorio de Gran Altitud NSF NCAR (HAO) y el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS) encontró la huella de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (KHI), pequeños patrones giratorios similares a remolinos, en la superficie del Sol. Los investigadores sugieren que la KHI podría ser una razón clave por la que la atmósfera exterior del Sol se calienta tanto y por la que la energía magnética se acumula y se desplaza en su superficie. La energía magnética alimenta las llamaradas y erupciones solares, el tipo de actividad solar que puede enviar ráfagas de energía hacia la Tierra y afectar a satélites, redes eléctricas y otras tecnologías. Este descubrimiento abre una nueva ventana a la física fundamental del Sol y otras estrellas, al tiempo que subraya las capacidades inigualables del Telescopio Solar Inouye.

El telescopio solar Inouye de la NSF captura la primera imagen de alta resolución de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz en la fotosfera solar

Un equipo de investigadores internacionales del NSO, el Observatorio de Gran Altitud NSF NCAR (HAO) y el Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar (MPS) de Alemania ha descubierto la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (KHI) en forma de pequeños patrones giratorios, similares a remolinos, en la superficie del Sol (la fotosfera). La investigación, publicada en la revista Nature, se basa en datos recopilados con el telescopio solar más grande del mundo, el Telescopio Solar Daniel K. Inouye de la NSF, construido y operado por el NSO en la isla de Maui, Hawái. El vídeo y las animaciones de tiempo publicados revelan un paisaje solar sin precedentes, mostrando remolinos dinámicos a pequeña escala en los bordes de las áreas magnéticas. Esto permitió la identificación inequívoca de la KHI en la fotosfera, proporcionando la primera confirmación experimental de un fenómeno que la teoría había predicho durante mucho tiempo, pero que solo pudo revelarse gracias a la alta resolución espacial del Telescopio Solar Inouye.

“Creemos que el descubrimiento de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz en la fotosfera solar, respaldado por el análisis de simulaciones numéricas, representa un importante avance en nuestra comprensión de la dinámica y la evolución del plasma solar y estelar, y servirá de base para futuros descubrimientos.” — Dr. David Boboltz, Subdirector del Observatorio Solar Nacional.

¿Qué es la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz?

La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (IKH o KHI por sus siglas en inglés), un efecto causado por el movimiento de fluidos, se produce cuando dos fluidos se deslizan uno sobre otro a velocidades diferentes, creando una cizalladura en la interfaz. Esto provoca que pequeñas perturbaciones se conviertan en vórtices llamativos, ondulatorios o en espiral, que se asemejan a olas rompiendo en el océano. Desde su formulación original por Lord Kelvin y Hermann von Helmholtz alrededor de 1870, la IKH se ha observado e investigado en diversas áreas de la física, como la dinámica de fluidos, la meteorología, la oceanografía, la heliofísica y la astrofísica. Esta inestabilidad se observa en una variedad de escalas, desde pequeñas olas de lagos y océanos (en condiciones de viento) y formaciones nubosas en la Tierra, hasta las atmósferas de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno, y la interacción del viento solar con las magnetosferas planetarias de nuestro sistema solar.

Los vórtices como motor de los eventos explosivos del Sol

Los vórtices giratorios del plasma solar magnético se han convertido en un área de creciente interés para los físicos solares. Podrían ser una fuente eficaz de energía magnética libre, que impulsa la actividad solar principal, incluyendo eventos explosivos que van desde diminutas nanoflares hasta llamaradas masivas, chorros y eyecciones de masa coronal. Estos son los principales responsables del clima espacial y pueden perturbar gravemente nuestra infraestructura tecnológica moderna, incluyendo redes eléctricas, satélites, navegación GPS y comunicaciones globales.

La teoría principal sobre cómo el Sol acumula energía magnética se denomina «entrelazado de flujo». A medida que las líneas del campo magnético se entrelazan, como si se trenzara el cabello, crean una configuración tensa e inestable. Cuando esa tensión se libera rápidamente, las líneas magnéticas enredadas se «rompen», se cruzan y se reconectan formando nuevas estructuras (un proceso llamado «reconexión magnética»). Esta reorganización repentina libera una ráfaga de energía mientras el sistema se estabiliza en un estado más tranquilo y de menor energía.

Lo que los científicos aún no comprenden del todo es qué causa la torsión y el entrelazamiento de las líneas del campo magnético. Este nuevo descubrimiento —esos pequeños patrones en espiral (provenientes de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz)— podría ser parte de la respuesta. Dado que estos remolinos parecen ocurrir constantemente en toda la superficie del Sol donde existe un campo magnético lo suficientemente fuerte, podrían ser el "motor" cotidiano que retuerce continuamente las líneas del campo magnético y pone en marcha todo el proceso.

“Apenas estamos comenzando a reconocer el amplio impacto que el descubrimiento de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz tiene en nuestra comprensión de la conexión entre el movimiento del plasma magnetizado y el transporte y liberación de energía en la atmósfera solar superior.” — Dr. Friedrich Wöger, científico sénior del Observatorio Solar Nacional.

Las observaciones, simulaciones y teoría de Inouye coinciden

En su artículo publicado en Nature, el equipo analizó y comparó las observaciones de alta resolución de Inouye con simulaciones computacionales de la fotosfera solar creadas con un código altamente especializado desarrollado y mantenido por equipos internacionales, entre ellos HAO y MPS (MPS/Universidad de Chicago Radiative MHD, o “MURaM”). Estas simulaciones, proporcionadas por HAO, se basan en ecuaciones físicas fundamentales que describen lo que ocurre en la atmósfera solar y constituyen una herramienta importante para la interpretación de datos científicos. Las simulaciones permiten a los científicos “ver” fenómenos difíciles o imposibles de medir directamente mediante la observación, lo que proporciona información sobre procesos que de otro modo permanecerían ocultos.

En este trabajo, los científicos encontraron docenas de estructuras similares a vórtices a lo largo de los bordes de las áreas magnéticas, tanto en las observaciones como en las simulaciones, con características y dinámicas sorprendentemente parecidas. Por ejemplo, la distancia promedio entre vórtices, conocida como la "longitud de onda de inestabilidad", osciló entre 50 y 65 km en ambos casos. El estudio demuestra que la superficie del Sol, en constante ebullición o granulación, interactúa con las estructuras magnéticas para crear áreas donde las capas vecinas se mueven a diferentes velocidades, proporcionando así las condiciones necesarias para desencadenar la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (KHI).

«Resulta muy emocionante observar que las observaciones de mayor resolución de la fotosfera solar han revelado un nuevo régimen dinámico en forma de vórtices KH en los bordes de las concentraciones del campo magnético. Estas observaciones también proporcionan la validación de mayor resolución hasta la fecha de las simulaciones magnetohidrodinámicas solares, y la concordancia en los detalles físicos es impresionante». — Dr. Matthias Rempel, científico sénior del Observatorio de Gran Altitud.

Los análisis avanzados realizados por el equipo sobre las observaciones de Inouye y las simulaciones por computadora, junto con su concordancia con la teoría analítica, llevaron a la conclusión de que los vórtices giratorios y las franjas oscuras de rápido movimiento y de escala mínima ("estrías"), que se encuentran tanto en las observaciones como en las simulaciones, son producidos sin duda por KHI.

Implicaciones para el misterio de la atmósfera solar y el calentamiento coronal

«La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz es probablemente un mecanismo que contribuye al calentamiento de la atmósfera exterior y forma parte de la solución al antiguo enigma de por qué las estrellas tienen una corona caliente de un millón de grados Kelvin». — Dr. Thomas Rimmele, Tecnólogo Jefe del Observatorio Solar Nacional.

Los datos también muestran que este efecto de remolino (KHI) mezcla eficazmente el plasma magnetizado y no magnetizado en la superficie del Sol, lo que aumenta la dispersión o difusión de los campos magnéticos en toda la atmósfera solar. La difusión resultante del KHI es un factor clave que los científicos utilizan al construir modelos para predecir cómo cambia la actividad magnética con el tiempo, no solo en nuestro Sol, sino también en otras estrellas.

El campo magnético del Sol se genera mediante procesos de dinamo que actúan como gigantescos motores cósmicos, transformando la energía rotacional de la estrella en campos magnéticos. Sin embargo, dado que el ciclo magnético solar dura solo 11 años, una escala temporal extraordinariamente rápida en términos cósmicos, el flujo magnético generado debe disiparse de manera eficiente. Los modelos actuales tienen dificultades para explicar esta rápida difusión. La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz que descubrimos en la fotosfera solar podría ser una fuente clave de esta difusión magnética faltante. — Dr. David Kuridze, astrónomo del Observatorio Solar Nacional.

Mirando hacia el futuro

Los científicos están avanzando hacia la siguiente fase del análisis, que incluye el uso de programas informáticos capaces de detectar y estudiar automáticamente estos patrones en espiral, gracias a los datos de alta resolución del Telescopio Solar Inouye. Esta nueva fase de la investigación aportará dos beneficios principales: permitirá a los científicos comprender mejor cuánta energía pueden transportar estas inclusiones Kelvin-Helmholtz (KHI) a la atmósfera superior del Sol, donde contribuyen al calentamiento, y también les ayudará a determinar en qué medida influyen en la propagación de los campos magnéticos en las capas inferiores de la atmósfera solar.

Para comprender la dinámica del tiempo espacial que afecta a la Tierra, debemos observar los procesos a pequeña escala que la impulsan. Durante décadas, observar estos vórtices a escalas tan diminutas resultó inalcanzable. Al combinar un enorme espejo de cuatro metros con óptica e instrumentos de última generación, el Telescopio Solar Inouye de la NSF ofrece la capacidad de resolución necesaria para revelar estos detalles ultrafinos por primera vez, lo que permite realizar descubrimientos que antes estaban fuera de nuestro alcance. — Dra. Jacqueline Keane, Directora del Programa del Observatorio Solar Nacional de la NSF.

El artículo que describe este estudio, titulado “Inestabilidades ubicuas de Kelvin-Helmholtz que impulsan la mezcla de plasma en el Sol”, ya está disponible en Nature.

Fuente: NSO