El motor de las erupciones solares

A fines de octubre y principios de noviembre de 2003, los astrónomos fueron testigos de algunas de las mayores erupciones solares jamás registradas. La avalancha de partículas cargadas derramadas por el Sol se ha manifestado con violencia en la Tierra y en el espacio circundante. El bombardeo de partículas fue a veces tan grande que muchos satélites tuvieron que ser desactivados temporalmente; algunos incluso han sufrido destrucción permanente. Los astronautas de la Estación Espacial Internacional se refugiaron en el módulo de servicio protegido relativamente mejor. Más cerca de casa, los aviones volaron a una altitud más baja para evitar dificultades de comunicación y no someter a los pasajeros a niveles peligrosos de radiación. Las redes de distribución de electricidad han sido monitoreadas para evitar sobretensiones. A pesar de estas medidas, 50,000 personas en Suecia se encontraron brevemente sin corriente. Afortunadamente, el campo magnético y la atmósfera de la Tierra protegen a la población de la mayor parte de la devastación causada por las tormentas solares, pero la extrema dependencia de nuestra sociedad de la tecnología hace que todos sean vulnerables.

Los eventos más destructivos durante una llamarada solar son las eyecciones de masas coronales, que se proyectan a alta velocidad, desde la parte superior de la atmósfera del Sol, la corona, grandes cantidades de gas ionizado que vienen y golpean la Tierra. . Los físicos han tratado durante mucho tiempo de determinar qué causa las erupciones de masa coronal y las eyecciones que acompañan a muchas de estas erupciones. Las observaciones recopiladas en los últimos años han permitido resaltar su complejidad y confirmar que el mecanismo físico que es la causa es la reorganización brutal de las líneas de campo magnético o la reconexión.

El clima en la Tierra, sea cual sea su complejidad, sigue siendo el resultado de procesos familiares, como el calentamiento por radiación solar, las diferencias en la presión atmosférica o las variaciones en la orientación del viento. Por otro lado, las erupciones solares y otros aspectos del clima espacial interactúan con los campos magnéticos y el plasma (gas calentado de tal manera que los átomos están parcialmente despojados de sus electrones). Dichas interacciones no son directamente visibles e, incluso los especialistas, tienen dificultades para representarlas. La idea principal sobre la causa de estos fenómenos, la reconexión magnética, data de los años 1950-1960. La evidencia observacional de esta teoría tardó en llegar.

Los arcos de plasma marcan las líneas del campo magnético

La energía liberada durante una erupción se almacena inicialmente en el campo magnético de la corona solar. De hecho, las erupciones generalmente ocurren de «regiones activas», áreas que parecen más brillantes que el promedio en rayos X de energía (ver Figura 2), y ubicadas en el equilibrio de manchas solares, áreas oscuras en la superficie visible del Sol. Las regiones activas están atravesadas por intensos campos magnéticos, cuyas líneas de campo forman bucles anclados debajo de la superficie visible. Estos bucles de campo magnético atrapan gas cuya temperatura alcanza varios millones de grados, y que se irradia en el ultravioleta extremo y en los rayos X. Las erupciones que, en ocasiones, surgen de estas regiones activas provienen de tales estructuras magnéticas. Están acompañados por un aumento considerable en la temperatura del gas contenido en los bucles, hasta varias decenas de millones de grados.

Más allá del vínculo cualitativo establecido entre las erupciones y los campos magnéticos intensos, los procesos involucrados no han sido claros durante mucho tiempo. Los astrónomos no entendieron de inmediato que los bucles magnéticos y el plasma involucrados en las erupciones solares difieren de los que generalmente habitan en regiones activas. En 1992, el satélite japonés Yohkoh (radio del Sol en japonés) recolectó las primeras imágenes de erupciones de rayos X de energía moderada, que caracterizan el gas muy caliente. Revelaron que durante ciertas erupciones, la parte superior de los bucles magnéticos presenta un punto curioso, dándoles la apariencia de un arco oriental en lugar de un arco redondeado (ver Figura 4).

Al examinar estas imágenes, Satoshi Masuda, entonces estudiante de doctorado en la Universidad de Tokio, descubrió que uno de estos puntos emitía una cantidad anormalmente grande de rayos X relativamente enérgicos. Esto significaba que esta región contenía una bolsa de gas caliente (del orden de 100 millones de grados), o que los electrones aceleraron a velocidades muy altas emitiendo rayos X cuando el plasma circundante los frenó brutalmente.

Estas dos explicaciones fueron problemáticas. ¿Cómo podría ese gas caliente permanecer limitado a un área tan pequeña? ? Si, por el contrario, la emisión de rayos X provino de electrones que impactan iones, ¿por qué la radiación se originó en una fuente compacta en la parte superior del bucle y no en sus pies, donde la densidad del plasma es máxima? ?

Para resolver este rompecabezas, era necesario distinguir los efectos de un gas caliente de los de los electrones acelerados. Y para comprender el progreso del proceso, fue necesaria una estrecha sucesión de imágenes en un rango completo de longitudes de onda xy gamma. El lanzamiento por parte de la NASA en 2002 del generador de imágenes espectroscópicas solares de alta energía Ramaty, o rhessi (llamado así en memoria de Reuven Ramaty, pionero en astronomía gamma solar), permitió responder estas preguntas en parte. rhessi tomó fotos detalladas de la punta de las hebillas en las erupciones, y al hacerlo acumuló un cuerpo de evidencia que confirma que la reconexión magnética es responsable de las erupciones y las eyecciones de masa coronal.

Para seguir el curso de una reconexión magnética, primero es necesario comprender cómo las líneas del campo magnético capturan gas caliente en la atmósfera solar. Este gas, de hecho un plasma formado por electrones y protones desolidarizados, es eléctricamente conductor. Por lo tanto, un campo eléctrico hace que las partículas cargadas a lo largo de sus líneas de campo y crea corrientes eléctricas, mientras que un campo magnético desvía fuertemente estas partículas y las obliga a rotar alrededor de sus líneas de campo.

Los protones y los electrones se mueven con bastante libertad a lo largo de una línea de campo magnético, pero sufren fuerza de frenado si viajan líneas de campo magnético convergentes. Por lo tanto, descendiendo desde la parte superior de un bucle hacia su pie, una partícula cargada se ralentiza al acercarse al pie, donde las líneas del campo magnético se tensan y donde aumenta la intensidad del campo. Finalmente, los electrones y protones se detienen e incluso se envían. Pero a diferencia de una gimnasta que rebota en un trampolín, las partículas cargadas no transfieren energía al campo magnético durante su rebote. Su energía cinética acelera el movimiento rotacional alrededor de las líneas del campo magnético, que se vuelve frenético. Los dos puntos de anclaje de un bucle magnético juegan así el papel de espejos reflectantes, que condenan a los protones y electrones atrapados a ir y venir a lo largo del bucle.

El campo magnético limita el plasma, pero a su vez actúa en el campo. De hecho, las corrientes eléctricas surgen en este gas de partículas cargadas tan pronto como una diferencia de potencial las pone en movimiento. En la superficie del Sol, dicho voltaje es inducido por el movimiento de las líneas del campo magnético (de acuerdo con el mismo principio en el trabajo en un generador eléctrico). Estas corrientes eléctricas a su vez inducen nuevos campos. Si agregamos que el punto de anclaje de los bucles tiende a moverse erráticamente, entendemos que esto da como resultado una profusión cambiante de líneas de campos magnéticos distorsionados en la atmósfera solar. Contienen considerable energía, el combustible de las erupciones solares.

Esta tabla describe solo lo que hemos sabido durante décadas. El verdadero problema surge cuando se trata de explicar cómo esta energía magnética se convierte en calor, material expulsado y partículas aceleradas. Un primer escenario se basa en una analogía con un circuito eléctrico clásico. Tal circuito se caracteriza por la intensidad de la corriente, por el voltaje que pone las cargas en movimiento, pero también por su resistencia eléctrica. El filamento de una bombilla, por ejemplo, tiene una resistencia considerable a la corriente que lo viaja, disipando la energía en forma de luz y calor. La atmósfera solar también tiene una resistencia eléctrica, porque las partículas cargadas que forman la corriente eléctrica a veces chocan, lo que las ralentiza y calienta el plasma. Además, el voltaje responsable de la corriente está asociado con un campo eléctrico. Si es lo suficientemente intenso, los electrones e iones se aceleran fuera de la zona de reconexión. Los componentes de una erupción, calentamiento y partículas de energía acelerada, por lo tanto, se combinan.

Esta explicación, por desgracia, no resiste un estudio en profundidad. La resistencia eléctrica en la corona es, en particular, demasiado baja para dar cuenta de la revuelta de energía disipada durante las erupciones solares. Incluso si la resistencia fuera mayor, seguiría siendo difícil explicar cómo la energía podría concentrarse en un área pequeña y liberarse de repente. La aparición de un voltaje asociado con una sola corriente no puede, por lo tanto, calentar la atmósfera solar lo suficientemente rápido o acelerar suficientes partículas para producir una erupción.

Para explicar las erupciones solares, los astrofísicos han propuesto a lo largo de los años varios escenarios de complejidad creciente, invocando, por ejemplo, la convergencia de una gran cantidad de corrientes diferentes, o ondas de plasma turbulentas y su campo eléctrico aleatorio asociado. Tales configuraciones probablemente pueden desencadenar una erupción, pero no pueden explicar todas las observaciones, en particular las eyecciones de masa coronal que a veces acompañan a grandes erupciones. Una mejor teoría debe involucrar no solo la dinámica del campo eléctrico, sino también su contraparte magnética. Echemos un vistazo más de cerca a la física de tales campos.

Cada campo magnético está asociado con una dirección: alrededor de un imán, por ejemplo, las líneas de fuerza apuntan desde el Polo Norte hasta el Polo Sur. Si dos campos magnéticos paralelos pero polarizaciones opuestas se reconcilian en un plasma, Se forma una superficie de corriente eléctrica entre los dos (Estamos acostumbrados a diseñar corrientes con una dimensión, como en un cable eléctrico, pero en la superficie del sol, donde toda la atmósfera es conductiva, nada impide que la corriente fluya en hojas bidimensionales). La energía contenida en estos dos campos magnéticos opuestos disminuiría con el tiempo, ya que la resistencia en la superficie de corriente disiparía la corriente eléctrica.

En 1956, Peter Sweet, en el Observatorio de la Universidad de Londres, se dio cuenta de que la energía contenida en el campo magnético se disiparía mucho más rápido si las líneas opuestas del campo magnético se rompían antes de volver a conectarse entre sí en la hoja actual. Los dos campos opuestos serían cancelados liberando un soplo de energía. Los campos magnéticos recién formados, que conectan las líneas de campo inicialmente separadas, así como el plasma asociado, se expulsarían a los bordes de la superficie de corriente. A fines de la década de 1950 y principios de la década de 1960, Eugene Parker, de la Universidad de Chicago, desarrolló la descripción matemática de este proceso, ahora conocido como la reconexión magnética de Sweet-Parker.

Tal reconexión no puede, sin embargo, explicar completamente lo que ocurre durante una erupción. La reorganización de las líneas de campo magnético imaginadas por Sweet es demasiado lenta para dar cuenta de la asombrosa velocidad con la que se libera la energía (durante las erupciones, observamos cambios a la escala del segundo, y esto podría ser aún más rápido). Harry Petschek, del Laboratorio Avco-Everett de Everett en Massachussets, resolvió este problema en 1963 al mostrar que el área donde se realiza la reconexión es mucho más pequeña de lo que predijo el modelo Sweet-Parker. A igual velocidad de la reorganización de las líneas de campo, la reconexión es mucho más rápida. Este fenómeno ahora se llama reconexión rápida o reconexión de Petschek, en contraste con la lenta reconexión de Sweet y Parker.

Una fuente enigmática de rayos X

En ambos casos, la superficie actual es demasiado delgada, del orden de unos pocos metros de espesor, para ser observada por los instrumentos actuales. Sin embargo, se puede detectar un fenómeno importante: la creación de líneas de campo helicoidales a altitud y bucles a baja altitud (ver recuadro en la página 65). Las nuevas sondas espaciales han revelado efectivamente tales manifestaciones.

Aunque la reconexión es probablemente un fenómeno omnipresente en la superficie del Sol, ha resultado difícil encontrar pruebas directas. La misión Rhessi ha logrado avances significativos a este respecto. En 2003, Linhui Sui, un estudiante de tesis que trabajó conmigo en el Centro Espacial Goddard en la NASA, analizó las observaciones de rhessi de una erupción moderada que tuvo lugar el 15 de abril de 2002. Este evento fue de particular interés porque fue acompañado por una eyección de masa coronal en un ángulo propicio para las observaciones. La erupción tenía una estructura de bucle simple y, desde muchos puntos de vista, parecía normal. L. Sui señaló, sin embargo, que una fuente compacta de rayos X de baja energía se cernía sobre el bucle magnético, aparentemente desconectado de él. Una secuencia de imágenes repartidas en diez minutos permitió saber más sobre esta misteriosa fuente (ver Figura 4).

Al principio, se planteó en la parte superior del bucle. A medida que la erupción comenzó a liberar rayos X más enérgicos, la parte superior del bucle disminuyó, mientras que la fuente compacta permaneció estacionaria. En el punto más alto de la erupción, cuando la emisión de rayos X de energía era máxima, el bucle de repente comenzó a aumentar. La fuente compacta también aumentó, pero mucho más rápido, antes de perder intensidad para desmayarse en menos de dos minutos. Tales eventos de rayos X nunca se han observado antes, aunque estructuras similares a otras longitudes de onda ya se han sorprendido. La fuente x, inicialmente estacionaria, se proyectó a casi 300 kilómetros por segundo lejos del Sol, una velocidad correspondiente a la de la eyección de masa coronal que acompañó a la erupción. Mejor aún, la medición de la temperatura de la fuente permitió localizar la fuente de energía, ubicada entre la parte superior del bucle magnético y la fuente x.

Este fenómeno está perfectamente en línea con lo que uno esperaría ver si el campo magnético se hubiera vuelto a conectar por encima del bucle en una hoja de corriente vertical. Los campos magnéticos y el plasma se movieron horizontalmente, impulsados por la corriente eléctrica, y se unieron en la superficie de corriente. Los dos campos magnéticos opuestos se reconectaron en la hoja. Los bucles de campo inferior resultantes se retrajeron rápidamente y colapsaron en la superficie. La mitad superior de las nuevas líneas de campo formó un gran bucle magnético retorcido que casi ya no estaba conectado a la superficie del Sol y que, por lo tanto, se expandió repentinamente hacia arriba. Estos bucles magnéticos retorcidos deben, al menos durante ciertas erupciones, dar lugar a una eyección de masa coronal. La reconexión magnética de hecho permite que la parte central de dicho bucle y la burbuja de plasma en la que se baña escapen del Sol, los sujetadores que sostenían la burbuja se cortaron repentinamente.

La imagen que emerge de este evento de 2002 arroja luz sobre observaciones previas de la sonda Yohkoh. La punta observada en la parte superior de los bucles de erupción de 1992 debe haber estado justo debajo de una hoja de corriente invisible, donde las líneas del campo magnético se reconectaron y colapsaron. La punta brillaba intensamente en rayos X debido a la expulsión continua de plasma caliente y electrones acelerados de la lámina actual, y posiblemente debido al calentamiento y la aceleración de los electrones en la punta misma.

Las erupciones solares y las eyecciones coronales ahora se entienden en parte, pero muchas preguntas siguen sin respuesta. Qué mecanismo acelera las partículas en estas erupciones y qué desencadena la reconexión ? Los astrofísicos esperan encontrar la respuesta a estas preguntas al continuar estudiando las erupciones gracias a rhessi y otras misiones, en particular Solar by estéreo (para la relación del observatorio terrestre solar o el Observatorio de Relaciones Tierra-Sol) que se lanzará pronto. La misión Solar b detallará los campos magnéticos solares. La misión estéreo recopilará, a través de dos satélites, imágenes estéreo tridimensionales del Sol. Estas imágenes traerán nuevas pistas sobre la geometría de las eyecciones de masa coronal, cuando abandonen el Sol para viajar a través del espacio interplanetario.

Es probable que las previsiones climáticas espaciales mejoren en los próximos años. El progreso vendrá tanto de una mejor comprensión de los mecanismos de las erupciones solares como de herramientas de observación cada vez más sofisticadas. Esperamos con ansias el día en que nuestros pronósticos del tiempo espacial sean tan banales y confiables como los de la lluvia y el buen clima en la Tierra.

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