Investigadores de la Universidad de Michigan creen tener respuesta al enigma de por qué hace más calor en la atmósfera que en la superficie solar y esperan probarlo con la misión Parker de la NASA.
En aproximadamente dos años, la sonda será la primera nave hecha por el hombre que ingrese a la zona que rodea al sol, donde el calentamiento se ve fundamentalmente diferente a lo que se ha visto anteriormente en el espacio. Esto les permitirá probar su teoría de que el calentamiento se debe a las pequeñas ondas magnéticas que viajan hacia adelante y hacia atrás dentro de la zona.
Resolver el enigma permitiría a los científicos comprender y predecir mejor el clima solar, que puede representar serias amenazas para la red eléctrica de la Tierra. Y el primer paso es determinar dónde comienza y termina el calentamiento de la atmósfera exterior del sol, un enigma sin escasez de teorías.
«Sea lo que sea la física detrás de este sobrecalentamiento, es un rompecabezas que nos ha estado mirando a los ojos durante 500 años», dijo Justin Kasper, profesor de ciencias del clima y el espacio de la Universida de Michigan y principal investigador de la misión Parker. «En solo dos años más, Parker Solar Probe finalmente revelará la respuesta».
Su teoría, y cómo el equipo usará a Parker para probarlo, se presenta en un artículo publicado el 4 de junio en The Astrophysical Journal Letters.
En esta «zona de calentamiento preferencial» sobre la superficie del sol, las temperaturas aumentan en general. Aún más extraño, los elementos individuales se calientan a diferentes temperaturas, o preferentemente. Algunos iones más pesados se sobrecalientan hasta que son 10 veces más calientes que el hidrógeno que se encuentra en todas partes en esta área, más caliente que el núcleo del sol.
Estas temperaturas tan altas hacen que la atmósfera solar se hinche muchas veces el diámetro del sol y es la razón por la que vemos la corona extendida durante los eclipses solares. En ese sentido, dice Kasper, el misterio del calentamiento coronal ha sido visible para los astrónomos durante más de medio milenio, incluso si las altas temperaturas solo se apreciaban en el último siglo.
Esta misma zona presenta «ondas de Alfvén» hidromagnéticas que se mueven hacia adelante y hacia atrás entre su borde más exterior y la superficie del sol. En el borde exterior, llamado el punto de Alfvén, el viento solar se mueve más rápido que la velocidad de Alfvén, y las ondas ya no pueden regresar al sol.
«Cuando estás por debajo del punto de Alfvén, estás en esta sopa de ondas», dijo Kasper. «Las partículas cargadas son desviadas y aceleradas por ondas que vienen de todas direcciones».
Al tratar de calcular a qué distancia de la superficie del sol se detiene este calentamiento preferencial, el equipo examinó décadas de observaciones del viento solar por la nave espacial Wind de la NASA.
Observaron cuánto del aumento de la temperatura del helio cerca del sol se eliminó por las colisiones entre los iones en el viento solar mientras viajaban a la Tierra. Observar la disminución de la temperatura del helio les permitió medir la distancia al borde exterior de la zona.
«Tomamos todos los datos y los tratamos como un cronómetro para averiguar cuánto tiempo había transcurrido desde que se sobrecalentó el viento», dijo Kasper. «Como sé lo rápido que se mueve ese viento, puedo convertir la información a una distancia».
Esos cálculos colocan el borde exterior de la zona de sobrecalentamiento de aproximadamente 10 a 50 radios solares desde la superficie. Era imposible ser más conciso, ya que solo se podían adivinar algunos valores.
Inicialmente, Kasper no pensó en comparar su estimación de la ubicación de la zona con el punto de Alfvén, pero quería saber si había una ubicación físicamente significativa en el espacio que produjera el límite exterior.
Después de leer que se ha observado que el punto Alfvén y otras superficies se expanden y se contraen con la actividad solar, Kasper y el coautor Kristopher Klein, ex postdoctorado de la UM y nuevo profesorado de la Universidad de Arizona, revisaron su análisis analizando cambios por año en lugar de considerar toda la misión.
«Para mi sorpresa, el límite exterior de la zona de calentamiento preferencial y el punto de Alfvén se movieron al unísono de manera totalmente predecible a pesar de ser cálculos completamente independientes», dijo Kasper. «Los superpones, y están haciendo exactamente lo mismo con el tiempo».
Entonces, ¿el punto Alfvén marca el borde exterior de la zona de calentamiento? ¿Y qué está cambiando exactamente bajo el punto de Alfvén que sobrecalienta los iones pesados? Deberíamos saberlo en los próximos años. La sonda solar Parker arrancó en agosto de 2018 y tuvo su primer encuentro con el sol en noviembre de 2018, ya que se estaba acercando más al sol que cualquier otro objeto hecho por el hombre.
En los próximos años, Parker se acercará aún más con cada paso hasta que la sonda caiga por debajo del punto de Alfvén. En su artículo, Kasper y Klein predicen que debería ingresar a la zona de calentamiento preferencial en 2021 a medida que el límite se expande a medida que aumenta la actividad solar. Luego, la NASA tendrá información directa de la fuente para responder a todo tipo de viejas preguntas.
«Con Parker Solar Probe podremos determinar definitivamente a través de mediciones locales qué procesos conducen a la aceleración del viento solar y al calentamiento preferencial de ciertos elementos», dijo Klein. «Las predicciones en este estudio sugieren que estos procesos están operando por debajo de la superficie de Alfvén, una región cercana al sol que ninguna nave espacial ha visitado, lo que significa que estos procesos de calentamiento preferencial nunca se han medido directamente».
