Una sonda de la NASA ‘toca’ el Sol

Por primera vez una nave espacial ha logrado ‘tocar’ el Sol: la sonda Parker Solar Probe de la NASA ha volado a través de la atmósfera superior de nuestra estrellas, según ha ha anunciado la agencia espacial estadounidense, “un paso de gigante en la ciencia solar”.

Así como el aterrizaje en la Luna permitió a los científicos comprender cómo se formó, tocar la materia de la que está hecho el Sol ayudará a los científicos a descubrir información crítica sobre nuestra estrella más cercana y su influencia en el sistema solar.

“Es un momento monumental para la ciencia solar y una hazaña verdaderamente notable”, destaca Thomas Zurbuchen, administrador asociado de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington (EE UU). “Este hito no solo nos proporciona información más profunda sobre la evolución del Sol y sus impactos en nuestro sistema solar, sino que todo lo que aprendemos sobre nuestra propia estrella también nos enseña más sobre las estrellas en el resto del universo”.

Tocar la materia de la que está hecho el Sol ayudará a los científicos a descubrir información crítica sobre nuestra estrella más cercana y su influencia en el sistema solar

A medida que circula más cerca de la superficie solar, Parker Solar realiza nuevos descubrimientos, incluso desde el interior del viento solar. En 2019, esta sonda descubrió que las estructuras magnéticas en zigzag en el viento solar, llamadas curvas (switchbacks, en inglés), abundan cerca del Sol. Pero cómo y dónde se forman sigue siendo un misterio. Ahora, la sonda ha pasado lo suficientemente cerca como para identificar un lugar donde se originan: la superficie solar.

Este primer paso a través de la corona, así como los futuros sobrevuelos de esta zona, proporcionarán datos sobre fenómenos que son imposibles de estudiar desde lejos. “Al volar tan cerca del Sol, Parker Solar ahora detecta condiciones en la capa dominada magnéticamente de la atmósfera solar –la corona– como nunca antes habíamos podido”, explica Nour Raouafi, científico del proyecto Parker en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins (EE UU).

“Vemos evidencias de estar en la corona en datos de campo magnético, datos de viento solar y visualmente en imágenes. De hecho, podemos ver la nave espacial volando a través de estructuras coronales que se pueden observar durante un eclipse solar total”, añade.

Más cerca que nunca

La sonda espacial Parker Solar se lanzó en 2018 para explorar los misterios del Sol viajando más cerca de él que cualquier nave espacial anterior. Tres años después del lanzamiento y décadas después de la primera concepción, finalmente ha llegado.

A diferencia de la Tierra, el Sol no tiene una superficie sólida, sino una atmósfera sobrecalentada, hecha de material solar unido al Sol por la gravedad y las fuerzas magnéticas. A medida que el calor y la presión crecientes empujan ese material lejos del Sol, llega a un punto donde la gravedad y los campos magnéticos son demasiado débiles para contenerlo.

Ese punto, conocido como la superficie crítica de Alfvén, marca el final de la atmósfera solar y el comienzo del viento solar. El material solar con la energía para cruzar ese límite se convierte en viento solar, que arrastra el campo magnético del Sol con él mientras viaja a través del sistema solar, hacia la Tierra y más allá. Es importante destacar que más allá de la superficie crítica de Alfvén, el viento solar se mueve tan rápido que las olas dentro del viento nunca pueden viajar lo suficientemente rápido como para regresar al Sol, cortando su conexión.

El material solar que cruza un punto, conocido como superficie crítica de Alfvén, se convierte en viento solar, que arrastra el campo magnético del Sol con él mientras viaja a través del sistema solar, hacia la Tierra y más allá

Hasta ahora, los investigadores no estaban seguros de dónde se encontraba exactamente la superficie crítica de Alfvén. De acuerdo a imágenes remotas de la corona, las estimaciones la habían colocado entre 10 y 20 radios solares desde la superficie del Sol: entre 4,3 y 8,6 millones de millas (es decir, entre 6,9 y 13,8 millones de kilómetros).

La trayectoria en espiral de Solar Parker la acerca lentamente al Sol y, durante las últimas aproximaciones, la nave espacial estuvo consistentemente por debajo de 20 radios solares (91 % de la distancia de la Tierra al Sol), lo que la colocaba en posición de cruzar el límite, si las estimaciones fueran correctas.

El 28 de abril de 2021, durante su octavo sobrevuelo al Sol, Parker Solar encontró las condiciones específicas magnéticas y de partículas a 18,8 radios solares (alrededor de 13 millones de kilómetros) sobre la superficie solar, lo que les indicó a los científicos que había cruzado la superficie crítica de Alfvén para el primera vez y finalmente entró en la atmósfera solar.

“Esperábamos plenamente que, tarde o temprano, nos encontraríamos con la corona durante al menos un breve período de tiempo”, comenta Justin Kasper, autor principal de un nuevo artículo sobre el hito publicado en Physical Review Letters y profesor de la Universidad de Michigan (EE UU). “Pero es muy emocionante que ya la hayamos alcanzado”.

En el ojo de la tormenta

Durante el sobrevuelo, Parker Solar entró y salió de la corona varias veces. Esto era lo esperado, ya que algunos investigadores habían predicho que la superficie crítica de Alfvén no tenía la forma de una bola lisa, sino que presenta picos y valles que arrugan la superficie. Descubrir dónde se alinean estas protuberancias con la actividad solar proveniente de la superficie puede ayudar a los científicos a aprender cómo los eventos en el Sol afectan a la atmósfera y el viento solar.

Cuando la sonda se sumergió justo por debajo de los 15 radios solares (alrededor de 10,4 millones de kilómetros) desde la superficie del Sol, transitó una característica en la corona llamada pseudostreamer. Se trata de estructuras masivas que se elevan por encima de la superficie del Sol y se pueden ver desde la Tierra durante los eclipses solares.

Pasar a través del pseudotreamer fue como volar hacia el ojo de una tormenta. Dentro de este, las condiciones se calmaron, las partículas se ralentizaron y el número de curvas disminuyó, un cambio dramático con respecto al ajetreado aluvión de partículas que la nave espacial generalmente encuentra en el viento solar.

Pasar a través del pseudotreamer fue como volar hacia el ojo de una tormenta. Dentro de este, las condiciones se calmaron, las partículas se ralentizaron y el número de curvas disminuyó

Por primera vez, la nave espacial se encontró en una región donde los campos magnéticos eran lo suficientemente fuertes como para dominar el movimiento de partículas. Estas condiciones fueron la prueba definitiva de que la nave había pasado la superficie crítica de Alfvén y entró en la atmósfera solar donde los campos magnéticos dan forma al movimiento de todo en la región.

“Estoy emocionado de ver lo que Parker encuentra a medida que pasa repetidamente por la corona en los próximos años", dice Nicola Fox, directora de la División de Heliofísica de la NASA. "La oportunidad para nuevos descubrimientos es ilimitada”.

El tamaño de la corona también depende de la actividad solar. A medida que aumenta el ciclo de actividad de 11 años del Sol, el ciclo solar, el borde exterior de la corona se expandirá, lo que le dará a Parker Solar una mayor probabilidad de estar dentro de esta durante períodos de tiempo más largos.

“Es una región realmente importante para entrar porque creemos que todo tipo de física se activa potencialmente”, destaca Kasper. "Y ahora estamos entrando en esa región y, con suerte, vamos a empezar a ver algunas de estas físicas y comportamientos”.

Cuando la sonda Parker Solar atravesó la corona solar, esta pasó por estructuras llamadas serpentinas coronales. Estas estructuras pueden verse como características brillantes que se mueven hacia arriba en las imágenes superiores y hacia abajo en la fila inferior. / NASA | Johns Hopkins APL | Naval Research Laboratory

Los orígenes de las estructuras en zigzag

En encuentros solares recientes, Parker Solar recopiló datos que señalan el origen de las estructuras en forma de zigzag en el viento solar. Los datos mostraron que un punto en el que se originan las curvas está en la superficie visible del Sol: la fotosfera.

A mediados de la década de 1990, la misión Ulysses de la NASA y la Agencia Espacial Europea voló sobre los polos del Sol y descubrió un puñado de extrañas torceduras en forma de S en las líneas del campo magnético del viento solar, que desviaron partículas cargadas en un camino en zigzag mientras escapaban del Sol. Durante décadas, los científicos pensaron que estos cambios ocasionales eran rarezas confinadas a las regiones polares de nuestra estrella.

En 2019, a 34 radios solares del Sol, Solar Parker descubrió que los retrocesos no eran raros, pero sí comunes en el viento solar. Este interés renovado en las características planteó nuevas preguntas: ¿De dónde venían? ¿Fueron forjados en la superficie del Sol o moldeados por algún proceso que retuerce los campos magnéticos en la atmósfera solar?

Comprender dónde y cómo emergen los componentes del viento solar rápido, y si están vinculados a las curvas, podría ayudar a los científicos a responder a un antiguo misterio solar: cómo la corona se calienta a millones de grados

Los nuevos hallazgos finalmente confirman que un punto de origen está cerca de la superficie solar.

Las pistas llegaron cuando la nave orbitó más cerca de la estrella en su sexto sobrevuelo, a menos de 25 radios solares. Los datos mostraron que los cambios ocurren en parches y tienen un mayor porcentaje de helio, que se sabe que proviene de la fotosfera, que otros elementos. Los orígenes de los cambios se redujeron aún más cuando los científicos encontraron los parches alineados con embudos magnéticos que emergen de la fotosfera entre estructuras de células de convección llamadas supergránulos.

Además de ser el lugar de nacimiento de las curvas, los científicos creen que los embudos magnéticos podrían ser el lugar donde se origina un componente del viento solar. Este se presenta en dos variedades diferentes, rápido y lento, y los embudos podrían ser de donde provienen algunas partículas del viento solar rápido.

“La estructura de las regiones con cambios de sentido coincide con una pequeña estructura de embudo magnético en la base de la corona”, comenta Stuart Bale, profesor de la Universidad de California (EE UU). “Es lo que esperamos desde algunas teorías, y esto señala una fuente para el propio viento solar”.

Esta imagen representa las distancias de la sonda Parker Solar al Sol para algunos de estos hitos y descubrimientos. / ASA's Goddard Space Flight Center | Mary P. Hrybyk-Keith

Comprender dónde y cómo emergen los componentes del viento solar rápido, y si están vinculados a las curvas, podría ayudar a los científicos a responder a un antiguo misterio solar: cómo la corona se calienta a millones de grados, mucho más caliente que la superficie solar de abajo.

Si bien los nuevos hallazgos ubican dónde se realizan los cambios, los científicos aún no pueden confirmar cómo se forman. Una teoría sugiere que podrían ser creados por ondas de plasma que recorren la región como olas del océano.

Otro sostiene que se producen mediante un proceso explosivo conocido como reconexión magnética, que se cree que ocurre en los límites donde se unen los embudos magnéticos.

“Mi instinto es que, a medida que nos adentramos en la misión y nos acerquemos más y más al Sol, aprenderemos más sobre cómo los embudos magnéticos están conectados a las curvas”, explica Bale. “Y, con suerte, resolverá la cuestión de qué proceso los convierte”.

Ahora que los investigadores saben qué buscar, los pases más cercanos de Solar Parker pueden revelar incluso más pistas sobre los cambios de sentido y otros fenómenos solares.

“Es realmente emocionante ver que nuestras tecnologías avanzadas tienen éxito en llevar a Parker Solar más cerca del Sol que nunca, y poder devolver una ciencia tan asombrosa”, concluye Joseph Smith, director ejecutivo del programa Parker de la NASA, quien concluye: “Esperamos ver qué más descubre la misión a medida que se adentra aún más en los próximos años”.

Referencia:

Kasper et al. (2021) “Parker Solar Probe Enters the Magnetically Dominated Solar Corona”. Physical Review Letters