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Solar Orbiter’s first view of the Sun
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Las preguntas que Solar Orbiter debe responder

14/09/2020 307 views 12 likes
ESA / Space in Member States / Spain

Cada mañana, el Sol sale y baña la Tierra con su calor y luz vivificantes. Aunque es una constante en nuestras vidas y lleva eones siéndolo, oculta grandes misterios que aún no hemos conseguido comprender. Además de la importancia para avanzar en el conocimiento científico del universo en su conjunto, también hay motivos prácticos para querer conocer mejor el comportamiento de nuestra estrella.

A medida que aumente nuestra dependencia cotidiana de las tecnologías, y especialmente de los satélites, vamos a tener que entender el modo en que el Sol puede afectarlas para así poder construir sistemas fiables. Si realmente queremos que los astronautas vuelvan a explorar el sistema solar, tenemos que conocer el comportamiento del Sol para poder mantenerlos a salvo de la radiación peligrosa. Por todos estos motivos, Solar Orbiter tiene mucho trabajo por delante.

¿Cómo afecta a la Tierra el campo magnético del Sol?

Magnetogram of the Sun
Magnetogram of the Sun

A pesar de la emisión casi constante de luz visible e infrarroja, nuestra estrella más cercana es variable en otras longitudes de ondas; es ahí donde Solar Orbiter va a centrar sus investigaciones. La variabilidad tiende a ser más pronunciada en el ultravioleta y en rayos X, que son longitudes de onda más cortas que la luz que percibimos a simple vista. En las regiones del espectro electromagnético del ultravioleta y de rayos X, la cantidad de radiación emitida por el Sol puede ser decenas, centenas y, en casos extremos, hasta miles de veces mayor o menor. Esta asombrosa variabilidad se debe únicamente a la actividad magnética del Sol.

Desde hace más de siglo y medio se sabe que el Sol es capaz de transmitir a través del espacio energía electromagnética que puede afectar a la tecnología en la Tierra. En 1850, se advirtió que un inexplicable desvío diario en las agujas de las brújulas se correlacionaba con el promedio de manchas en el Sol. Desconcertado por la idea de que el Sol sería un objeto magnético, sir John Herschel afirmaba en una carta a Michael Faraday, que en aquel momento experimentaba con la electricidad y el magnetismo: “A menos que todo esto fuere prematuro, nos hallamos al borde de un enorme descubrimiento cósmico, sin parangón con nada de lo imaginado hasta ahora”.

Herschel no se equivocaba, y el estudio de la relación electromagnética entre el Sol y la Tierra no ha dejado de adquirir relevancia en los últimos 170 años. La sonda Solar Orbiter de la ESA está diseñada para llevar estas investigaciones a un estadio de madurez, al observar con un nivel de detalle sin precedentes cómo el Sol genera y propaga su campo magnético por el espacio, así como las fuentes de variabilidad de tal generación.

¿Qué provoca la dinamo solar?

Anatomy of the Sun
Anatomy of the Sun

El campo magnético del Sol es responsable de toda la actividad solar que vemos; genera el ciclo de 11 años que provoca el aumento y disminución del número de manchas solares, y controla el comportamiento de la atmósfera solar. Además, este campo magnético rodea el conjunto del sistema solar en una burbuja gigante denominada “heliosfera”, llena de gas electrificado conocido como “plasma”. Las perturbaciones en el plasma afectan a los planetas, dando lugar a las auroras y provocando interferencias en el comportamiento de las tecnologías. Aun así, todavía no entendemos bien la manera en que este campo magnético se genera dentro del Sol.

“Sabemos que el campo magnético es responsable de toda la actividad del Sol, pero no sabemos cómo se produce”, admite Sami Solanki, director del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar de Gotinga (Alemania) e investigador principal de la Cámara de Imagen Polarimétrica y Heliosísmica (PHI), uno de los instrumentos a bordo de Solar Orbiter. “Creemos que la responsable es una dinamo en el interior del Sol, similar a la que produce el campo magnético terrestre, aunque en realidad desconocemos cómo funciona dicha dinamo solar”. Para abordar este misterio, Solar Orbiter investigará la generación inicial del campo magnético en lo profundo del Sol. Pero ¿cómo podemos estudiar todo esto cuando no podemos ver más allá de la superficie solar y los campos magnéticos son invisibles al ojo humano? Ahí es donde entra en juego PHI.

El instrumento observa una longitud de onda específica de la luz, conocida como “línea espectral”, que emiten los átomos de hierro que contiene el Sol. En presencia de un campo magnético, los átomos de hierro se deforman y la línea espectral se divide en distintos componentes mediante un fenómeno denominado “efecto Zeeman”. La escala de esta división permite a los científicos medir la fuerza del campo magnético. Además, PHI también mide una segunda propiedad de la línea, la polarización, que contiene información sobre la dirección del campo magnético.

“Tenemos que analizar la luz que proviene del Sol en todos los aspectos, por lo que el sistema óptico que hemos integrado en el instrumento es muy complejo”, explica Achim Grandorfer, del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS) y miembro del equipo de PHI.

PHI también “observará” bajo la superficie del Sol. Esta se halla en un movimiento constante de ascenso y descenso debido a que la convección y a las turbulencias por debajo crean el equivalente de ondas sísmicas que se propagan por el interior del astro. PHI medirá estos movimientos con un nivel de precisión inédito, lo que permitirá a los científicos ejecutar modelos computacionales del interior del Sol para ver qué condiciones permiten la formación de las ondas detectadas.

Esto es importante para comprender cómo se genera el campo magnético, ya que los teóricos creen que se origina en una región del interior del Sol llamada “tacoclina”. Se trata de la capa situada aproximadamente a un 30 % de profundidad, donde las propiedades de rotación del Sol cambian drásticamente, provocando unas grandes fuerzas de cizalla en el plasma. El movimiento provocado en el plasma sería lo que genera el campo magnético que asciende hasta la superficie solar.

¿Qué pasa en los polos?

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Gracias a los modelos informáticos, los teóricos ahora creen que un flujo de plasma de las regiones ecuatoriales de la superficie solar a los polos barre los campos magnéticos debilitados de viejas manchas solares y otras regiones activas. Una vez en los polos, estos campos magnéticos se sumergen en el Sol y se rejuvenecen debido al movimiento del plasma en la tacoclina. Desde allí, vuelven a subir a la superficie para crear nuevas manchas y las regiones activas del siguiente ciclo solar.

Sin embargo, ahora mismo carecemos de datos sobre la distribución del campo magnético en los polos, ya que ninguna nave ha logrado hasta ahora ver de cerca los polos solares. Solar Orbiter será la primera: a finales de 2025, su órbita se inclinará lo suficiente como para poder observar los polos solares con los telescopios y realizar estas mediciones por primera vez en la historia.

“Los polos solares son terra incognita”, apunta Sami. “Es como la Tierra hace 150 años: nadie había estado en los polos, por lo que había mucho que aprender”.

Al ayudarnos a comprender la generación del campo magnético del Sol, Solar Orbiter también efectuará investigaciones sin precedentes de lo que sucede una vez que el campo magnético sale del Sol al espacio para crear la heliosfera.

¿Qué calienta la corona?

Solar Orbiter’s first view of the Sun
Solar Orbiter’s first view of the Sun

El campo magnético del Sol sale al espacio y crea la heliosfera mediante una corriente constante de plasma conocida como “viento solar”. Este se origina en la atmósfera exterior del Sol, la corona. Y es ahí donde nos espera uno de los grandes enigmas del Sol: ¿por qué la corona está tan caliente?

Por algún motivo, la tenue atmósfera exterior contiene gas a una temperatura de un millón de grados, a pesar de que la superficie del Sol apenas alcanza los 5.500 °C. Este es un problema fundamental de nuestra estrella desde los años cuarenta del siglo pasado.

“El hecho de que la corona solar esté tan caliente desafía nuestra intuición”, señala Daniel Müller, científico del proyecto Solar Orbiter de la ESA. “Si tenemos un cuerpo muy caliente en el centro y relativamente frío en la superficie, lo normal sería que la temperatura descendiese a medida que nos alejamos. Pero lo curioso de la corona solar, así como de otras estrellas, es que su temperatura es mayor cuanto más nos apartamos de la superficie”.

Durante decenios se han avanzado numerosas hipótesis que podrían resolver el problema. Solar Orbiter ayudará a comprender cuáles de esas ideas se aplican realmente. Muchas de ellas se basan en la liberación de energía del campo magnético solar.

“Cuando miramos cuánta energía hay en el campo magnético y cuánta en las partículas [de la corona], vemos que en el campo magnético hay unas cien veces más. Si liberamos un poco de energía magnética, podemos calentar un montón de partículas y eso es lo que intentamos comprender”, apunta Säm Krucker, de la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes del Noroeste de Suiza (FHNW) e investigador principal del Espectrómetro/Telescopio de Rayos X (STIX) de Solar Orbiter.

STIX observa las fulguraciones solares, las mayores emisiones de energía magnética que pueden producirse. Provocan las colosales eyecciones de masa coronal, que liberan miles de millones de partículas al espacio interplanetario.

Otros instrumentos buscan emisiones más pequeñas de energía que, a pesar de ser mucho menores que las gigantescas fulguraciones, podrían ser más importantes a la hora de calentar la corona. Esto se debe a que se producen de forma más o menos continua, mientras que las fulguraciones son poco frecuentes.

De hecho, las primeras imágenes tomadas por la Cámara de Imagen del Ultravioleta Extremo (EUI) cuando Solar Orbiter se encontraba a medio camino entre la Tierra y el Sol revelaron que las minierupciones solares, llamadas de manera informal “hogueras” por los científicos, son omnipresentes cerca de la superficie de nuestra estrella.

“La idea de que el calentamiento coronal pudiera deberse a un sinfín de minúsculas erupciones ya la adelantó en los ochenta el famoso físico estadounidense Eugene Parker”, reconoce Daniel. “Evidentemente, es demasiado pronto para extraer conclusiones, pero parece que Solar Orbiter habría dado con una prueba de que Parker tenía razón”.

¿Qué acelera el viento solar?

The Sun’s corona in visible light on 21 June 2020
The Sun’s corona in visible light on 21 June 2020

Un misterio relacionado con el calentamiento de la corona es la aceleración del viento solar, la corriente constante de partículas cargadas eléctricamente que el Sol libera al espacio en todas direcciones. Estas partículas pueden llegar a velocidades de entre 300 y 800 kilómetros por segundo, pero sigue sin saberse qué las acelera hasta alcanzar tal rapidez.

“Para mí, esa es la gran cuestión”, dice Tim Horbury, del Imperial College London e investigador principal del Magnetómetro (MAG) de Solar Orbiter.

En principio parece simple. La corona está muy caliente, por lo que se expande al espacio. Pero eso no basta para hacer que el viento solar sea como lo conocemos. “No es suficiente para que alcance tal velocidad”, reconoce Tim. Así que tiene que haber otro mecanismo de aceleración en marcha.

Para distinguir las diferentes teorías de cómo se acelera el viento solar, Solar Orbiter efectuará mediciones muy detalladas de su composición. Al tomarse mucho más cerca del Sol que de la Tierra, estos datos brindarán información de la composición original del viento en el punto de origen, antes de que se produzcan cambios en su viaje hacia el exterior del sistema solar.

“Estamos dándonos cuenta de que hay un montón de variaciones en la velocidad del viento, y también variaciones muy importantes en la estructura del campo magnético”, añade Tim. Así, cualquier teoría de éxito deberá explicar también sus enormes niveles de complejidad. No va a ser fácil, pero Tim piensa que Solar Orbiter estará a la altura. “Creo que la aceleración del viento solar es la gran pregunta que debemos responder. Y creo que vamos a lograrlo, de verdad”.

La única estrella a la que podremos acercarnos

Por muy importante que sea entender el Sol, la ciencia de Solar Orbiter puede ir aún más allá y aplicarse a nuestra comprensión del cosmos. Las interacciones magnéticas y las aceleraciones de partículas se pueden ver por todo el universo y a muy distintas escalas. Saber exactamente cómo se producen gracias al estudio del campo magnético alrededor del Sol permitirá a los astrónomos aplicar estos conocimientos a muchos otros aspectos del universo, como la formación de estrellas y el comportamiento de la materia que cae en los agujeros negros.

A Yannis Zouganelis, científico adjunto del proyecto Solar Orbiter de la ESA, este aspecto de la misión le resulta muy atractivo.

“El motivo por el que estudié Física Solar es que el Sol, a pesar de ser una estrella bastante común, es la única que jamás podremos estudiar de cerca. Y con Solar Orbiter, realmente podemos aproximarnos y medir in situ las propiedades de su atmósfera extendida. Para mí siempre ha sido una forma de estudiar la física del plasma espacial que puede aplicarse a fenómenos muy distintos por todo el universo. Es increíble que podamos tomar una ecuación de la física del Sol y que pueda aplicarse también a supernovas y otros entornos extraños con emisiones de plasma. Y acercarnos todo lo posible al Sol realmente es la única manera de entender cómo funcionan todos esos fenómenos”.

Aunque la misión se llame Solar Orbiter, la ciencia que investigará afecta a todas las ramas de la astronomía y hará avanzar de forma fundamental nuestra comprensión de procesos clave en el universo. No hay muchas misiones que tengan un alcance tan amplio.

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