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Solar Orbiter
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Por qué necesitamos a Solar Orbiter

18/09/2020 373 views 20 likes
ESA / Space in Member States / Spain

En la leyenda de Ícaro, el padre del protagonista, Dédalo, fabrica unas alas de plumas y cera para que ambos puedan escapar de su encierro en Creta. Cuando lo consiguen, vuelan sobre el mar con cuidado de no acercarse demasiado a las olas ni al Sol. Sin embargo, embriagado por la sensación de surcar los cielos, Ícaro se eleva cada vez más hasta que la cera de sus alas se ablanda y cae al mar, donde muere. Es un destino que todos los que han trabajado en el diseño de Solar Orbiter querían evitar; por eso, el escudo térmico de la nave está construido para resistir temperaturas de hasta 500 °C. Aunque operar tan cerca del Sol es todo un logro, ¿por qué poner en riesgo con algo así una nave de 1.500 millones de euros cuando podemos fotografiar el astro desde la Tierra? La respuesta, por supuesto, está en la ciencia. 

Los límites de estudiar el Sol desde la órbita terrestre

Hasta la llegada de Solar Orbiter, la mayoría de las sondas solares se habían apostado en las proximidades de la Tierra. Por ejemplo, el Observatorio Heliosférico y Solar (SOHO), una misión conjunta de la ESA y la NASA lanzada en 1995, se encuentra en órbita en el punto L1, a unos 1,5 millones de kilómetros más cerca del Sol que la Tierra, donde las fuerzas gravitatorias y rotacionales están equilibradas, de modo que la nave puede orbitar el Sol a la misma velocidad que nuestro planeta. Así, la sonda dispone de una visión ininterrumpida de la estrella. Otras misiones no han llegado tan lejos. En 2010, la NASA lanzó el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) a una órbita alrededor de la Tierra.

Si bien estas misiones nos han proporcionado datos asombrosos y han permitido a los científicos describir de manera sobresaliente el comportamiento del Sol, han dejado sin respuesta algunas preguntas fundamentales. Dos de los principales misterios que Solar Orbiter está diseñada para abordar son cómo se calienta la atmósfera exterior del Sol, la corona, hasta alcanzar un millón de grados, y cómo se aceleran las partículas cargadas eléctricamente que conforman el viento solar. Quienes diseñaron la misión entendieron que ambas cuestiones se podían estudiar acercando la nave al Sol y adentrándola en su entorno.

El deseo de aproximarse a la estrella es algo que lleva planteándose en la ESA desde finales de los años noventa. “Era un concepto de misión muy ambicioso”, explica Daniel Müller, científico de proyecto de la ESA para Solar Orbiter. Y eso significa que hubo que esperar mucho hasta que la tecnología avanzase y permitiera hacer posible una misión así.

Cerca, pero sin “ojos”

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De todas formas, Solar Orbiter no será la primera sonda que vuele cerca del Sol. En 1976, Helios-B llegó a 43 millones de kilómetros de la estrella. Sin embargo, no llevaba telescopios ni cámaras que mirasen directamente a su superficie, sino que se limitó a tomar muestras de las partículas y los procesos electromagnéticos que se podían detectar de cerca.

Solar Orbiter tampoco se va a aproximar tanto a nuestra estrella como lo ha hecho la sonda solar Parker de la NASA, que en estos momentos está reduciendo su distancia al Sol con pases cada vez más cercanos. Con el tiempo, se espera que pase a tan solo siete millones de kilómetros: seis veces más cerca que Solar Orbiter. Sin embargo, tal proximidad implica que Parker tampoco lleva cámaras ni telescopios para mirar directamente al Sol, pues estos útiles no funcionarían frente a la luz y el calor abrasadores que tendrá que soportar la sonda.

Solo Solar Orbiter, diseñada para operar a unos 42 millones de kilómetros del Sol, transporta detectores de partículas y telescopios. Esta combinación única le permitirá lograr sus ambiciosos objetivos científicos.

Donde empieza la física más interesante

Primera vista del Sol tomada por Solar Orbiter
Primera vista del Sol tomada por Solar Orbiter

Acercarse al Sol significa poder verlo con más detalle, por lo que cuanto más se le aproxime Solar Orbiter, más interesantes serán las imágenes y los datos que tomen sus instrumentos de detección remota. Durante la puesta en servicio de la sonda, las fotografías de la Cámara de Imagen del Ultravioleta Extremo (EUI) revelaron que la superficie estaba cubierta de lo que parecían minierupciones solares. Y, con suerte, eso solo será el aperitivo de lo que está por llegar, como dice David Berghmans, del Real Observatorio de Bélgica e investigador principal de ese instrumento.

“Esperamos ver ‘nuevos’ fenómenos a escalas menores”, señala. También explica que la atmósfera del Sol es “invariante de escala”. Esto significa que lo que sucede a escalas mayores se mantiene en lo que acontece a otras menores. Ese es el motivo por el que el primer descubrimiento de EUI fueron las minierupciones solares que los científicos llamaron coloquialmente “hogueras”. No obstante, a cierto nivel debe cesar esta similitud.

“No puede reproducirse hasta la escala del átomo”, advierte David. “Y el punto en que deja de hacerlo es donde se produce la física más interesante, como el calentamiento coronal y la aceleración del viento solar”. Y precisamente comprender esos dos procesos es uno de los principales objetivos de Solar Orbiter.

De lo más pequeño a la visión de conjunto

Combinación de detección remota y mediciones in situ
Combinación de detección remota y mediciones in situ

Lo paradójico de la misión es que, a pesar de que se acercará todo lo posible al Sol en busca de respuestas, también debe vigilarlo a gran escala para ver cómo los fenómenos de la superficie afectan a la emisión constante del viento solar. De ello se encargarán los instrumentos Metis y SoloHI.

El coronógrafo Metis capturará imágenes simultáneas de la corona en longitudes de onda visible y ultravioleta, que mostrarán la estructura y la dinámica de la atmósfera solar con un nivel de detalle sin precedentes, extendiéndose de 1,7 a 4,1 radios solares.

La Cámara de Imagen Heliosférica (SoloHI) observará el Sol a escalas aún mayores y tomará imágenes del viento solar capturando la luz dispersada por los electrones en el viento. Juntos, estos instrumentos permitirán identificar las perturbaciones transitorias del viento solar, que desencadenan los fenómenos de meteorología espacial. Causan las auroras que vemos en los cielos polares y pueden tener consecuencias graves para tecnologías que en la actualidad son fundamentales en la Tierra. Los mayores fenómenos se deben a las eyecciones de masa coronal, en las que se llegan a expulsar miles de millones de toneladas de gas al exterior. Solar Orbiter observará estas y otras perturbaciones menores.

En conjunto, los detectores de EUI muestran las estructuras coronales cerca de la superficie solar que se extienden hasta el campo de visión de Metis, que enlaza con lo que puede ver SoloHi. Otro instrumento de Solar Orbiter, la Cámara de Imagen Polarimétrica y Heliosísmica (PHI) medirá las estructuras del campo magnético cerca de la superficie solar. Esto permitirá a los científicos buscar relaciones directas entre el comportamiento del Sol y los fenómenos de meteorología espacial que tienen lugar por todo el sistema solar.

“La combinación de Metis, EUI y PHI será muy potente para estudiar la dinámica de las eyecciones de masa coronal que rastreará SoloHI”, comenta Russell A. Howard, del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de los Estados Unidos en Washington DC e investigador principal de SoloHI.

Observando el campo magnético puro

El Sol y sus propiedades magnéticas
El Sol y sus propiedades magnéticas

Además de los instrumentos de detección remota, Solar Orbiter transporta instrumentos de detección in situ que pueden detectar partículas y el campo magnético alrededor de la sonda. Para poder investigar el campo magnético del Sol recogiendo las partículas guiadas por él, es necesario acercarse para poder “ver” los detalles de lo que sucede.

“A la distancia de la Tierra, el campo magnético del Sol no se compone de líneas claras como las que solemos ver alrededor de un imán en los libros de texto de secundaria”, aclara Javier Rodríguez-Pacheco, de la Universidad de Alcalá e investigador principal del Detector de Partículas Energéticas (EPD). Antes bien, para cuando el campo magnético del Sol ha llegado a la Tierra, se ha enmarañado y resulta confuso. Así, las partículas energéticas del Sol, guiadas a través del espacio por el campo magnético, no están necesariamente orientadas hacia donde lo hacían originalmente en el Sol.

“Esto significa que la imagen que obtenemos de estas partículas en la órbita terrestre es borrosa”, añade Javier. Y por eso es imposible comprender los detalles de la actividad energética que libera las partículas, ya que no podemos estar seguros de dónde se ha originado en la superficie solar.

Aunque la luz del Sol y su calor son nuestro vínculo más evidente con la estrella, el campo magnético y las partículas que guía son cada vez más importantes. Los fenómenos transitorios en estas partículas y campos es lo que se conoce como meteorología espacial.

Al acercarse tanto al Sol, Solar Orbiter atravesará el campo magnético antes de que este se “emborrone”. Así, usando sus telescopios e instrumentos de detección remota, la sonda podrá localizar los puntos en la superficie solar desde donde se expulsan las partículas que pasan junto a la nave y son detectadas por EPD y el resto de los instrumentos in situ.

Cómo unir los puntos

Primeras imágenes y mediciones de Solar Orbiter
Primeras imágenes y mediciones de Solar Orbiter

De todo lo que investiga, este es el objetivo científico clave para Solar Orbiter: asociar lo que sucede en el espacio con lo que pasa en la superficie de la estrella. “Eso será lo que hará de su aportación a la ciencia algo único, decir: ‘vale, ya hemos visto lo que pasa en el Sol y ahora vamos a ver el flujo de partículas asociado”, afirma Christopher Owen, del Laboratorio de Ciencia Espacial Mullard del University College London (Reino Unido) y principal investigador del Analizador de Viento Solar (SWA).

Una parte importante de esta investigación la llevará a cabo el detector de iones pesados de SWA. Se trata de átomos, como el oxígeno, el carbono o el hierro, que han perdido los electrones, por lo que quedan cargados eléctricamente. Su carga exacta depende del número de electrones perdidos, algo determinado por la temperatura y la densidad de su región de origen en la corona. Lo que hace que sean científicamente importantes es que su carga eléctrica no varía a medida que se alejan en el viento solar. “Constituyen un vínculo directo con lo que sucede en el Sol. Ofrecerán una huella importantísima que nos permitirá su comparación con lo que están viendo los instrumentos de detección remota y así identificar las regiones específicas de origen y sus mecanismos”, añade Christopher.

El Sensor de Imágenes Espectrales del Entorno Coronal (SPICE) se ocupará de una de las comparaciones clave: medirá la composición química en la superficie del Sol para luego compararla con la del viento solar medido por SWA. Si al final fueran las hogueras las regiones que proporcionan la energía que calienta la corona y acelera el viento solar, SPICE mostrará que la composición del plasma cerca de estas hogueras es la misma que la del plasma que fluye junto a la sonda y es detectado por SWA y los demás instrumentos.

“Entonces de verdad estaremos en posición de medir la densidad del material eyectado y la velocidad de emisión”, señala Daniel. Así, los científicos de Solar Orbiter podrían identificar las regiones de origen y, en consecuencia, los mecanismos de aceleración de distintas corrientes del viento solar. “Sería fantástico si realmente pudiéramos llegar a decir ‘la sonda ahora está atravesando una gran corriente de partículas procedente de esta región activa en concreto’. Eso es algo que a mí, personalmente, me encantaría ver”.

“Por primera vez, podremos conectar estos dos mundos y comprender los mecanismos que aceleran las partículas y cómo se propagan por el campo magnético interplanetario”, continúa explicando Javier. “Deberíamos ser capaces de aprovechar estos datos para calcular los flujos de partículas y las direcciones en otros puntos del sistema solar. Creo que esto será algo espectacular”.

En resumen, Solar Orbiter usa la ciencia de una manera integral que hasta ahora no se había aplicado al Sol. Se trata de una gran misión, atrevida y con una ambición clara... Y con un montón de trabajo extraordinario por delante.

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