Una sonda vuela más cerca del Sol y redefine la física de la corona

Lo suficientemente cerca para sentir el aliento del Sol: una nave espacial voló más cerca del Sol que nunca

A principios de este año, una nave espacial voló más cerca del Sol que cualquier otro explorador en la historia y devolvió un conjunto de mediciones que están obligando a los físicos a reescribir un problema clásico de la ciencia solar. La Parker Solar Probe de la NASA se ha sumergido repetidamente en las profundidades de la atmósfera exterior del Sol, llegando a estar a unos 3,8 millones de millas de la superficie solar visible durante sus encuentros más audaces. Esas lecturas de partículas y campos in situ y sin procesar —tomadas donde nace el viento solar y aún interactúa fuertemente con el campo magnético del Sol— se están utilizando ahora con nuevas herramientas de análisis para exponer cómo se transfiere la energía al viento y por qué la corona se encuentra a millones de grados.

La Parker Solar Probe se lanzó en 2018 y utiliza una secuencia de asistencias gravitatorias de Venus para reducir su perihelio hacia la heliosfera interior. En sus pasos más cercanos, la nave espacial ha cruzado regiones que eran, hasta hace poco, territorio puramente teórico para los heliofísicos. Esa proximidad importa: los instrumentos a bordo de la sonda muestrean las distribuciones de velocidad de iones y electrones directamente, no de forma indirecta a través de señales remotas de luz o radio. Esas distribuciones no se parecen a las curvas maxwellianas simples en forma de campana que asumen muchos modelos; en su lugar, están sesgadas y estructuradas, portando huellas dactilares de calentamiento reciente y actividad ondulatoria.

Debido a que la sonda atraviesa físicamente la corona y el viento solar joven, los científicos pueden comparar las mediciones locales con las expectativas de teorías de larga data. El conjunto de datos es inusual tanto por su proximidad como por su fidelidad: campos magnéticos, velocidades y densidades de partículas, ondas electromagnéticas en un rango de frecuencias, todo medido a pocos millones de millas del Sol. Esa combinación es lo que permite a los investigadores probar, rechazar y refinar los mecanismos de calentamiento que se han debatido durante más de un siglo.

Por qué el hecho de que la nave volara más cerca del Sol revela pistas sobre el calentamiento coronal

El misterio centenario que subyace a estas observaciones es el problema del calentamiento coronal: la atmósfera exterior del Sol, la corona, es órdenes de magnitud más caliente que la superficie visible debajo de ella. La fotosfera se encuentra cerca de los 5.800 kelvin, pero la corona alcanza temperaturas de millones de kelvin. Cómo se mueve la energía desde las capas inferiores del Sol hacia un plasma tenue que, sin embargo, se vuelve mucho más caliente ha sido un enigma desde que se infirieron por primera vez las altas temperaturas coronales a principios del siglo XX.

Un nuevo trabajo publicado este año utiliza las mediciones cercanas de Parker junto con una herramienta de análisis numérico llamada ALPS (Arbitrary Linear Plasma Solver) para enfrentar ese enigma directamente. ALPS permite a los científicos computar cómo interactúan las distribuciones de velocidad de partículas no maxwellianas observadas con las ondas electromagnéticas a escala iónica: qué ondas se emiten, cuáles se absorben y cuánta energía se intercambia. El resultado es una contabilidad mucho más detallada del flujo de energía en la heliosfera interior que los modelos anteriores que asumían poblaciones de partículas termalizadas.

Lo que encontró la sonda: ondas, amortiguamiento y enfriamiento lento

El titular del nuevo análisis es que el viento solar no simplemente se expande y se enfría a medida que escapa del Sol; más bien, experimenta un calentamiento continuo por interacciones onda-partícula a pequeña escala. Las mediciones de Parker muestran anisotropías persistentes y desviaciones del equilibrio térmico en las velocidades de los iones, y ALPS indica que estas características no térmicas permiten la emisión y absorción de ondas a escala iónica. La absorción de estas ondas por poblaciones de partículas específicas transfiere energía a las partículas y ralentiza el enfriamiento que, de otro modo, resultaría de la pura expansión.

Los científicos describen la consecuencia observable como "amortiguamiento" (damping): la energía de las ondas se convierte en energía cinética de las partículas y se redistribuye entre iones y electrones. Ese amortiguamiento no es uniforme —depende de la geometría magnética local, la forma de las distribuciones de velocidad y qué modos de onda están presentes— y este calentamiento que varía espacialmente ayuda a explicar por qué la corona permanece tan caliente cerca del Sol y cómo el viento solar gana su velocidad a medida que fluye hacia afuera.

Impactos para el clima espacial, los satélites y la astrofísica

Estos no son solo detalles esotéricos. Una mejor comprensión de cómo y dónde se calienta el viento solar alimenta directamente los modelos que pronostican cómo evolucionan las eyecciones de masa coronal y las tormentas de partículas en su camino hacia la Tierra. Un tratamiento más realista de las distribuciones de partículas y del amortiguamiento cambiará los cálculos de qué tan rápidas y energéticas se vuelven las erupciones solares a medida que viajan a través de la heliosfera. Para los operadores de satélites, redes eléctricas y rutas de aviación cerca de los polos, eso puede traducirse en mejores advertencias y reducción de riesgos.

Más allá del entorno cercano a la Tierra, la física descubierta donde una nave espacial voló más cerca del Sol que nunca tiene un amplio alcance. Los plasmas calientes y magnetizados son omnipresentes en todo el universo: en los discos de acreción alrededor de los agujeros negros, los vientos de otras estrellas y el gas tenue entre las galaxias. Es probable que los mismos tipos de procesos onda-partícula y distribuciones de velocidad no térmicas controlen la disipación de energía en esos sistemas también, por lo que las lecciones de Parker se integrarán en los modelos astrofísicos durante los próximos años.

Cómo cambia esto el panorama y qué sigue

Hasta ahora, muchos modelos trataban el viento solar incipiente como aproximadamente térmico y utilizaban prescripciones simplificadas para el calentamiento por ondas. Las nuevas mediciones directas muestran que esas suposiciones omiten canales importantes de transferencia de energía. Al combinar datos in situ con resolvedores como ALPS, los investigadores ahora pueden predecir qué poblaciones de partículas ganan energía y a qué distancias radiales, predicciones que pueden validarse con las pasadas repetidas de Parker a medida que la nave espacial muestrea diferentes partes de la corona a través del ciclo solar.

Los siguientes pasos incluyen ampliar el conjunto de encuentros analizados, comparar los datos de Parker con observaciones remotas de otras naves espaciales e incorporar los términos de calentamiento refinados en los modelos heliosféricos globales. Los equipos ya están trabajando para mapear el "punto de no retorno" en la atmósfera del Sol —el límite donde el plasma escapa de la contención magnética del Sol— y para registrar cómo cambian el amortiguamiento y la absorción de ondas con la actividad solar. A medida que Parker continúe bajando su perihelio, esos mapas ganarán resolución y poder predictivo.

Fuentes