Desde la década de 1960, los astrónomos se han preguntado cómo el “viento solar” supersónico del Sol, una corriente de partículas energéticas que fluye hacia el sistema solar, continúa ganando energía después de abandonar el Sol. Además de ayudar a los científicos a predecir mejor la actividad solar y el clima espacial, dicha información también nos ayuda a comprender los misterios del Universo en otros lugares y cómo operan estrellas como el Sol y los vientos estelares en todas partes.
Desde la década de 1960, los astrónomos se han preguntado cómo el “viento solar” supersónico del Sol, una corriente de partículas energéticas que fluye hacia el sistema solar, continúa ganando energía después de abandonar el Sol. Ahora, gracias a una coincidencia fortuita entre las naves espaciales de la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea)/NASA que actualmente estudian el Sol, es posible que hayan encontrado la respuesta: conocimiento que es una pieza crítica del rompecabezas para ayudar a los científicos a predecir mejor la actividad solar entre los Sol y Tierra.
El artículo, publicado en la edición del 30 de agosto de 2024 de la revista Science, proporciona pruebas convincentes de que los vientos solares más rápidos surgen de “interruptores” magnéticos o grandes curvas en el campo magnético cerca del Sol.
Parker Solar Probe preparándose para entrar en la corona solar. NASA/Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins/Ben Smith
“Nuestro estudio aborda una gran pregunta abierta sobre cómo se carga el viento solar y nos ayuda a comprender cómo el Sol influye en su entorno y, en última instancia, en la Tierra”, dijo Yeimi Rivera, co-investigadora principal del estudio y científica investigadora del Smithsonian Astrophysical. Observatorio. Parte del Centro de Astrofísica de Harvard. “Si este proceso ocurre en nuestra estrella local, es muy probable que alimente vientos de otras estrellas en toda la Vía Láctea y más allá y podría tener implicaciones para la habitabilidad de los exoplanetas”.
Anteriormente, la sonda solar Parker de la NASA descubrió que estas transiciones inversas son comunes en todo el viento solar. Parker, que se convirtió en la primera nave espacial en entrar en la atmósfera magnética del Sol en 2021, permitió a los científicos determinar que las transiciones inversas se vuelven más claras y poderosas cerca del Sol. Sin embargo, hasta ahora, los científicos no han tenido evidencia experimental de que este fenómeno realmente libere suficiente energía para desempeñar un papel importante en el viento solar.
Parker está diseñado para volar a través de la atmósfera del Sol, o “corona”. La misión Solar Orbiter de la ESA y la NASA también orbita relativamente cerca del Sol y mide el viento solar a grandes distancias.
El descubrimiento fue posible gracias a una coincidencia en febrero de 2022 que permitió a Parker Solar Probe y Solar Orbiter medir el mismo flujo de viento solar con dos días de diferencia. Solar Orbiter estaba casi a medio camino hacia el Sol, mientras que Parker bordeaba el borde de la atmósfera magnética del Sol.
“Al principio no nos dimos cuenta de que Parker y Solar Orbiter estaban midiendo lo mismo. Parker vio este plasma más lento cerca del Sol que estaba lleno de ondas hacia atrás, y luego Solar Orbiter captó un flujo rápido que era cálido y tenía muy poca actividad ondulatoria”, dijo Samuel Badman, astrofísico del Centro de Astrofísica y otro co- investigador principal del estudio. “Cuando conectamos los dos, fue un verdadero momento eureka”.
Los científicos saben desde hace tiempo que la energía se mueve a través de la corona solar y el viento solar, al menos en parte, a través de las llamadas “ondas de Alfvén”. Estas ondas transportan energía a través del plasma, el estado sobrecalentado de la materia que forma el viento solar.
Sin embargo, no se pudo medir hasta qué punto las ondas de Alfvén evolucionan e interactúan con el viento solar entre el Sol y la Tierra, hasta que las dos misiones fueron enviadas más cerca que nunca del Sol al mismo tiempo. Los científicos ahora pueden determinar directamente cuánta energía se almacena en las fluctuaciones magnéticas y de velocidad de estas ondas cerca de la corona, y cuánta menos energía transportan las ondas más alejadas del Sol.
El nuevo estudio muestra que las ondas de Alfvén en forma de ondas invertidas proporcionan suficiente energía para explicar el calentamiento y la aceleración registrados en el flujo más rápido del viento solar a medida que se aleja del Sol.
“Ha sido necesario más de medio siglo para confirmar que la aceleración y el calentamiento de las ondas de Alfvén son procesos importantes y ocurren aproximadamente como pensamos”, dijo John Belcher, profesor emérito del MIT que co-descubrió las ondas de Alfvén en el viento solar. , pero no participó en este estudio.
Además de ayudar a los científicos a predecir mejor la actividad solar y el clima espacial, dicha información también nos ayuda a comprender los misterios del Universo en otros lugares y cómo operan estrellas como el Sol y los vientos estelares en todas partes.
“Este descubrimiento es una de las piezas clave del rompecabezas para responder a la pregunta de hace 50 años sobre cómo se acelera y calienta el viento solar en las partes internas de la heliosfera, acercándonos a uno de los principales objetivos científicos del Proyecto Parker. Misión Solar Probe”, dijo Adam Szabo, científico de la misión Parker Solar Probe de la NASA.
Se ha revelado el mecanismo de formación del viento solar “lento”. Las observaciones de la sonda solar respaldan la teoría de que el lento viento solar está formado por materia que normalmente queda atrapada en las llamadas regiones cerradas de la corona, donde las líneas del campo magnético tienden a permanecer cerradas.
Utilizando la sonda Solar Orbiter, un equipo internacional de astrónomos ha descubierto la primera evidencia física de que el llamado viento solar lento surge en regiones cerradas de la corona solar como resultado de roturas y reconexiones de líneas de campo magnético. Así lo informó el servicio de prensa de la Universidad Británica de Northumbria.
“Los datos recopilados con la ayuda de Solar Orbiter indicaron que las corrientes de viento solar “lento” provienen de aquellas regiones del Sol donde se tocan las áreas cerradas y abiertas de la corona solar. Esto respalda una teoría que vincula la formación del viento solar “lento” con la reconexión de las líneas del campo magnético, lo que permite que la materia “escapare” de las regiones cerradas de la corona”, dice el informe.
A esta conclusión llegó un grupo de astrónomos dirigido por Udo Schüle, investigador del Instituto de Investigación del Sistema Solar de Gotinga, al estudiar los datos recopilados por la sonda Solar Orbiter en marzo de 2022. En ese momento, como señalan los científicos, la nave espacial se encontraba a una distancia de sólo 0,5 unidades astronómicas del Sol (la distancia promedio entre la Tierra y la luminaria), lo que permitió a los científicos estudiar la estructura de dos corrientes de viento solar “lento”. inmediatamente.
Al estudiarlos, los científicos aprovecharon el hecho de que las proporciones de iones de magnesio, neón y algunos otros elementos pesados en la materia de la corona solar difieren significativamente en sus diferentes regiones. Esto permite determinar dónde se originó tal o cual corriente de viento solar y revelar los mecanismos de su formación. Guiados por esta idea, los científicos midieron las proporciones de magnesio y neón en cinco corrientes de viento solar utilizando instrumentos del Solar Orbiter.
Los cálculos realizados por los científicos indicaron que corrientes de viento solar “lento” surgieron en aquellas áreas de la superficie del Sol donde hay áreas fronterizas entre los agujeros coronales y el resto de la corona solar. Según los investigadores, esto sugiere que el viento “lento” surge como resultado de interrupciones y reconexiones de las líneas del campo magnético en estas zonas de la corona, que permiten que la materia de sus regiones internas “escape” al espacio exterior.
Como señalan los investigadores, las observaciones de la Sonda Solar respaldan la teoría de que el viento solar “lento” consiste en materia que normalmente está atrapada en las llamadas regiones cerradas de la corona, donde las líneas del campo magnético tienden a permanecer cerradas. Sus rupturas y reconexiones periódicas crean las condiciones para la formación de emisiones muy heterogéneas e inestables del “lento” viento solar, concluyeron los investigadores.
Solar Orbiter es un proyecto conjunto de la NASA y la Agencia Espacial Europea por un valor aproximado de 1.500 millones de dólares. En total, la sonda está equipada con diez instrumentos diferentes, seis de los cuales apuntarán constantemente al Sol y se necesitan otros cuatro para estudiar su estado. del entorno que rodea al propio dispositivo. Además, la sonda lleva instalado un escudo protector contra el calor especial, que permite que el dispositivo se acerque al Sol a una distancia de hasta 42 millones de kilómetros.
La NASA tiene varias misiones que estudian cómo el Sol y las tormentas solares afectan a la Tierra y los viajes espaciales, y la Estación Espacial Internacional contribuye a esta investigación de varias maneras.
Mejoras en las mediciones de energía solar. El sensor de irradiancia solar total y espectral (TSIS) de la estación mide la irradiancia solar, la energía solar que recibe la Tierra, y la irradiancia solar espectral, una medida de la energía del sol en longitudes de onda individuales. El conocimiento de la magnitud y variabilidad de la radiación solar mejora la comprensión del clima, la atmósfera y los océanos de la Tierra y permite realizar pronósticos meteorológicos espaciales más precisos. A su vez, pronósticos más precisos podrían ayudar a proteger a las personas y los satélites en el espacio, así como la transmisión de energía y las comunicaciones por radio en la Tierra.
Los primeros cinco años de observaciones de TSIS demostraron lecturas espectrales a largo plazo mejoradas y una incertidumbre reducida en comparación con las mediciones de la misión anterior de la NASA, el satélite de Clima y Radiación Solar. La precisión de las observaciones de TSIS puede mejorar los modelos de variabilidad de la irradiancia solar y contribuir a los registros de irradiancia solar a largo plazo.
La carga útil externa de monitoreo solar de la ESA (Agencia Espacial Europea) Columbus, o Solar , ha estado recopilando datos de producción de energía solar durante más de una década utilizando tres instrumentos que cubren la mayoría de las longitudes de onda del espectro electromagnético. Las diferentes longitudes de onda emitidas por el Sol son absorbidas y afectan la atmósfera terrestre y contribuyen a nuestro clima y tiempo. Este seguimiento ayuda a los científicos a ver cómo la radiación solar afecta a la Tierra y proporciona datos para crear modelos que predigan su impacto.
Uno de los instrumentos, el Monitor de irradiancia y variable solar, cubrió las partes casi ultravioleta, visible y térmica del espectro y ayudó a mejorar la precisión de estas mediciones.
La herramienta SOLar SPECtral Irradiance Measurement cubre rangos más altos del espectro solar. Sus observaciones revelaron diferencias significativas con respecto a los espectros y modelos solares de referencia anteriores. Los investigadores también informaron que observaciones repetidas identificaron un espectro de referencia para el primer año de la misión SOLAR, que correspondía al mínimo solar antes del ciclo solar 24.
La actividad solar aumenta y disminuye en ciclos de aproximadamente 11 años. El actual ciclo solar 25 comenzó en diciembre de 2019, y los científicos predijeron el pico de actividad solar entre enero y octubre de 2024, que incluyó las tormentas de mayo.
El tercer instrumento, los espectrómetros EUV/UV de calibración automática SOLar, midió la porción del espectro solar entre el ultravioleta extremo y el ultravioleta. La mayor parte de esta radiación de alta energía es absorbida por la atmósfera superior, lo que imposibilita las mediciones desde el suelo. Los resultados mostraron que estos instrumentos pueden superar el problema de la sensibilidad reducida observada en otros instrumentos de medición solar y proporcionar una recopilación de datos más eficiente.
Para el proyecto AuroraMAX de la CSA (Agencia Espacial Canadiense), los miembros de la tripulación fotografiaron la aurora boreal sobre Yellowknife , Canadá, entre el otoño de 2011 y finales de la primavera de 2012. Imágenes espaciales, coordinadas con una red de observatorios terrestres en todo Canadá, se utilizaron en una exposición interactiva en el Festival de las Artes y las Ciencias para despertar el interés del público sobre cómo la actividad solar afecta a la Tierra. El proyecto también ofrece transmisión en vivo de la aurora boreal en línea cada septiembre y abril.
El espectrómetro solar de rayos X en miniatura del CubeSat midió las variaciones en la actividad de los rayos X solares para ayudar a los científicos a comprender cómo afecta la atmósfera superior de la Tierra. La actividad de los rayos X solares aumenta durante las erupciones solares. Estudiantes del Laboratorio de Física Espacial Atmosférica de la Universidad de Colorado construyeron el satélite, que fue lanzado desde la estación espacial a principios de 2016.
Mejores datos están ayudando a los científicos a comprender cómo los fenómenos solares afectan a los satélites, las misiones humanas y la infraestructura en el espacio y en la Tierra. Los esfuerzos en curso para medir cómo responde la atmósfera de la Tierra a las tormentas solares son una parte importante de los planes de la NASA para las misiones Artemis a la Luna y las misiones posteriores a Marte.
Solar Orbiter, liderado por la ESA, ha establecido por primera vez un vínculo entre las mediciones del viento solar alrededor de una nave espacial y las imágenes de alta resolución de la superficie solar a corta distancia. Este éxito abre una nueva forma para que los físicos solares estudien las regiones fuente del viento solar.
El viento solar es una lluvia interminable de partículas cargadas eléctricamente emitidas por el Sol. Es muy variable, cambiando sus características como velocidad, densidad y composición según el lugar de la superficie del Sol de donde procede.
Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, algunos aspectos del origen del viento solar siguen siendo poco conocidos. Y cuando el viento llega a la Tierra, muchos detalles se vuelven borrosos, lo que hace casi imposible rastrearlo hasta áreas específicas de la superficie del sol.
A medida que el viento solar atraviesa el sistema solar, interactúa con los cuerpos celestes y las naves espaciales. Estas interacciones van desde beneficiosas, en el caso de las auroras en nuestro planeta, hasta extremadamente destructivas, cuando las tormentas solares pueden interferir o incluso dañar los sistemas eléctricos de la Tierra o de las naves espaciales.
Por tanto, comprender el viento solar es una prioridad para los físicos que estudian el sol. Un objetivo clave de la misión Solar Orbiter era vincular el viento solar alrededor de la nave espacial con sus fuentes en el Sol. Este nuevo resultado, utilizando datos recopilados durante el primer acercamiento cercano del Solar Orbiter al Sol, muestra que es posible, un objetivo clave de la misión y una nueva forma de estudiar los orígenes del viento solar.
Solar Orbiter puede realizar estas conexiones porque tiene instrumentos tanto fijos como remotos. Los instrumentos instalados en la estación miden el plasma del viento solar y el campo magnético alrededor de la nave espacial, mientras que los instrumentos de teledetección obtienen imágenes y otros datos sobre el propio Sol. La dificultad es que las cámaras muestran el Sol tal como aparece ahora, mientras que los instrumentos de la estación muestran el estado del viento solar que se liberó desde la superficie del Sol unos días antes. Esto se debe a que las partículas del viento solar tardan algún tiempo en llegar a la nave espacial.
Para vincular los dos conjuntos de datos, los astrónomos utilizan un software en línea llamado Herramienta de Conectividad Magnética, que fue desarrollado para respaldar la misión Solar Orbiter. Los datos de entrada para la herramienta de conectividad provienen del Global Oscillation Network Group, una serie de seis telescopios solares repartidos por todo el mundo que monitorean continuamente las oscilaciones en la superficie del Sol. A partir de estas observaciones, un modelo informático calcula cómo viaja el viento solar a través del sistema solar.
“Puedes predecir en qué parte de la superficie del Sol crees que se conectará Solar Orbiter en unos días”, dice Stephanie Yardley de la Universidad de Northumbria en el Reino Unido, autora principal del artículo que anuncia los resultados.
El equipo seleccionó objetivos para observar en la superficie del Sol y utilizó un instrumento de comunicaciones magnéticas para predecir cuándo la nave espacial volaría a través del viento solar que se liberaba desde esas superficies. El exclusivo conjunto de instrumentos de Solar Orbiter, que abarca tanto mediciones in situ como sensores remotos, y su órbita que lo acerca al Sol, fueron diseñados específicamente para permitir que se pruebe este tipo de comunicación científica.
Los datos se recopilaron entre el 1 y el 9 de marzo de 2022, cuando Solar Orbiter estaba a unos 75 millones de kilómetros del Sol, aproximadamente la mitad de la distancia de la Tierra al Sol.
En general, existen dos tipos de viento solar: el viento solar rápido, que se mueve a velocidades superiores a 500 km/s, y el viento solar lento, que se mueve a velocidades inferiores a 500 km/s.
Si bien se sabe que el viento solar rápido se origina a partir de configuraciones magnéticas conocidas como agujeros coronales, que canalizan el viento solar hacia el espacio, los orígenes del viento solar lento aún no se conocen bien. Se sabe que está asociado con “regiones activas” del Sol donde aparecen las manchas solares, pero los detalles son difíciles de alcanzar. Las manchas solares son regiones más frías de la fotosfera del Sol donde intensos campos magnéticos se retuercen y concentran. Indican regiones activas del Sol, a menudo responsables de erupciones y llamaradas solares.
Para demostrar la capacidad del equipo de vincular el lento viento solar medido in situ con su origen en la superficie solar, la nave espacial necesitaba volar a través de un campo magnético asociado con el borde de un agujero coronal o un complejo de manchas solares. Esto permitió al equipo observar cómo el viento solar cambiaba su velocidad (de rápido a lento o viceversa) y otras propiedades, confirmando que estaban mirando el área correcta. Al final, consiguieron la combinación perfecta de ambos tipos de características.
“Solar Orbiter pasó por el agujero coronal y la región activa, y vimos corrientes rápidas de viento solar seguidas de otras lentas. Vimos mucha complejidad que podíamos relacionar con las áreas de origen”, dice Stephanie. Esto incluyó cambios en la composición y temperatura en estas áreas específicas.
Al analizar las diferentes corrientes de viento solar detectadas por Solar Orbiter, el equipo demostró claramente que el viento solar todavía tiene “huellas” dejadas por diferentes regiones de sus fuentes, lo que facilita a los físicos que estudian la radiación solar rastrear las corrientes hasta sus puntos de origen en el Sol.
FURST obtendrá los primeros espectros de alta resolución del “Sol como estrella” en ultravioleta del vacío (VUV), una longitud de onda de luz que es absorbida en la atmósfera terrestre, lo que significa que sólo puede observarse desde el espacio. Los astrónomos han estudiado otras estrellas en el vacío ultravioleta utilizando telescopios en órbita, pero estos instrumentos son demasiado sensibles para apuntar al Sol. Los recientes avances en espectroscopía VUV de alta resolución permiten ahora observaciones similares de nuestra propia estrella, el Sol.
¿Qué pasaría si comparáramos el Sol con otras estrellas que la NASA ha estudiado a lo largo de los años? ¿Seguirá siendo tan único? El espectrógrafo de cohetes ultravioleta de pleno sol (FURST) tiene como objetivo responder a estas preguntas cuando se lance a bordo del cohete sondeo Black Brant IX el 11 de agosto desde el campo de misiles White Sands en Nuevo México. La NASA y sus socios cancelaron el primer intento de lanzamiento de la misión FURST Sounding Rocket el 11 de agosto debido a problemas con los sistemas de refrigeración, pero están esperando un próximo intento más exitoso.
“Cuando hablamos del “Sol como estrella”, lo tratamos como cualquier otra estrella en el cielo nocturno, no como un objeto único del que dependemos para preservar la vida en la Tierra. Es muy emocionante estudiar el Sol desde este punto de vista”, dijo Adam Kobelski, investigador principal de FURST y astrofísico investigador en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales en Huntsville, Alabama.
Debido a que el telescopio Hubble es demasiado sensible para apuntar al Sol de la Tierra, se necesitaron nuevos instrumentos para obtener un espectro de todo el Sol que fuera similar en calidad a las observaciones del Hubble de otras estrellas. Marshall Space Flight Center construyó la cámara, la aviónica y diseñó y construyó un nuevo sistema de calibración para la misión FURST. La Universidad Estatal de Montana (MSU), que lidera la misión FURST en asociación con Marshall, construyó un sistema óptico que incluye siete elementos ópticos que alimentarán una cámara que esencialmente creará siete exposiciones que abarcan todo el rango de longitud de onda ultravioleta.
Charles Kankelborg, profesor de heliofísica en la Universidad Estatal de Moscú e investigador principal de FURST, describió la misión como un esfuerzo altamente colaborativo con implicaciones de amplio alcance.
“Nuestra misión obtendrá el primer espectro ultravioleta lejano del Sol como estrella”, dijo Kankelborg. “Esta es una información clave que ha estado perdida durante décadas. Con su ayuda situaremos al Sol en el contexto de otras estrellas”.
FURST será el tercer lanzamiento liderado por Marshall para el Programa de Cohetes Sondeos de la NASA en cinco meses, lo que hará de 2024 un año activo para el programa. Al igual que la misión Hi-C Flare lanzada en abril, el cohete sonda se lanzará y abrirá durante el vuelo para permitir a FURST observar el Sol durante unos cinco minutos antes de cerrarse y caer de nuevo a la superficie de la Tierra. Los miembros del equipo Marshall podrán calibrar instrumentos durante el lanzamiento y el vuelo, y obtener datos durante el vuelo y poco después del aterrizaje.