Las misiones de la NASA hacen un mapa sin precedentes del campo magnético solar.

Durante décadas después de su descubrimiento, los observadores solo pudieron ver la cromosfera solar unos momentos fugaces: durante un eclipse solar total, cuando un resplandor rojo brillante rodeó la silueta de la Luna.

La cromosfera fotografiada durante el eclipse solar total de 1999. Los tonos rojos y rosados, que es la luz emitida por el hidrógeno, le atribuyeron el nombre de cromosfera, del griego “chrôma” que significa color.
Créditos: Luc Viatour.

Más de cien años después, la cromosfera sigue siendo la más misteriosa de las capas atmosféricas del Sol. Intercalada entre la superficie brillante y la corona solar etérea (la atmósfera exterior del Sol), la cromosfera es un lugar de cambio rápido, donde la temperatura aumenta y los campos magnéticos comienzan a dominar el comportamiento del Sol.

Ahora, por primera vez, una tríada de misiones de la NASA ha escudriñado la cromosfera para obtener mediciones de múltiples alturas de su campo magnético. Las observaciones, capturadas por dos satélites y el espectropolarímetro de capa cromosférica 2, o misión CLASP2, a bordo de un pequeño cohete suborbital, ayudan a revelar cómo los campos magnéticos en la superficie del Sol, dan lugar a las brillantes erupciones en su atmósfera exterior. El artículo fue publicado en Science Advances.

Un objetivo principal de la heliofísica, la ciencia que estudia la influencia del Sol en el espacio, es predecir el clima espacial, que a menudo comienza en el Sol pero que puede extenderse rápidamente por el espacio para causar interrupciones cerca de la Tierra.

El motor de estas erupciones solares es el campo magnético del Sol, las líneas invisibles de fuerza que se extienden desde la superficie solar hasta el espacio más allá de la Tierra. Este campo magnético es difícil de ver; solo se puede observar indirectamente, por la luz del plasma, o gas sobrecalentado, que traza sus líneas como los faros de un automóvil que viaja por una carretera lejana. Sin embargo, la forma en que esas líneas magnéticas se organizan, ya sea flojas y rectas o tensas y enredadas, marca la diferencia entre un Sol tranquilo y una erupción solar.

“El Sol es hermoso y misterioso, con una actividad constante provocada por sus campos magnéticos”, dijo Ryohko Ishikawa, físico solar del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, en Tokio, y autor principal del artículo.

Idealmente, los investigadores podrían leer las líneas del campo magnético en la corona, donde tienen lugar las erupciones solares, pero el plasma es demasiado escaso para realizar lecturas precisas (la corona es mucho menos de una milmillonésima parte de la densidad del aire al nivel del mar).

En cambio los científicos miden la fotosfera más densamente compacta, la superficie visible del Sol, dos capas por debajo. Luego usan modelos matemáticos para propagar ese campo hacia arriba en la corona. Este enfoque omite la medición de la cromosfera, que se encuentra entre los dos, con la esperanza de simular su comportamiento.

La cromosfera se encuentra entre la fotosfera, o la superficie brillante del Sol que emite luz visible, y la corona sobrecalentada, o atmósfera exterior del Sol, fuente de las erupciones solares. La cromosfera es un vínculo clave entre estas dos regiones y una variable faltante que determina la estructura magnética del Sol.
Créditos: Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.

Desafortunadamente, la cromosfera ha resultado ser un comodín, donde las líneas del campo magnético se reorganizan de maneras difíciles de anticipar. Los modelos luchan por capturar esta complejidad.

“La cromosfera es un lío caliente”, dijo Laurel Rachmeler, ex científica del proyecto de la NASA para CLASP2, ahora en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, o NOAA. “Hacemos supuestos simplificadores de la física en la fotosfera y supuestos separados en la corona. Pero en la cromosfera, la mayoría de esas suposiciones se rompen “.

Instituciones de EE.UU., Japón, España y Francia trabajaron juntas para desarrollar un enfoque novedoso para medir el campo magnético de la cromosfera a pesar de su desorden. Modificando un instrumento que voló en 2015, montaron su observatorio solar en un cohete sonoro, llamado así por el término náutico “sónar” que significa medir. Los cohetes sonoros se lanzan al espacio para realizar observaciones breves de unos minutos antes de volver a la Tierra. Más asequibles y más rápidos de construir y volar que las misiones satelitales más grandes, también son un recurso ideal para probar nuevas ideas y técnicas innovadoras.

Lanzado desde el campo de misiles White Sands en Nuevo México, el cohete se disparó a una altitud de 274 kilómetros para tener una vista del Sol desde la atmósfera de la Tierra, que de otra manera bloquea ciertas longitudes de onda de luz. Pusieron sus miras en una plage, el borde de una “región activa” en el Sol, donde la fuerza del campo magnético era fuerte, ideal para sus sensores.

Mientras CLASP2 observaba al Sol, el Espectrógrafo de Imágenes de la Región de Interfaz de la NASA o IRIS y el satélite JAXA/NASA Hinode, ambos observando el Sol desde la órbita de la Tierra, ajustaron sus telescopios para apuntar a la misma ubicación. En coordinación, las tres misiones se centraron en la misma parte del Sol, pero miraron a diferentes profundidades.

Hinode se centró en la fotosfera, buscando líneas espectrales del hierro neutro formado allí. CLASP2 apuntó a tres alturas diferentes dentro de la cromosfera, bloqueando líneas espectrales de magnesio ionizado y manganeso. Mientras tanto, IRIS midió las líneas de magnesio en una resolución más alta, para calibrar los datos CLASP2. Juntas, las misiones monitorizaron cuatro capas diferentes dentro y alrededor de la cromosfera.

Finalmente, los resultados concluyeron en el primer mapa de múltiples alturas del campo magnético de la cromosfera.

“Cuando Ryohko me mostró estos resultados por primera vez, no podía quedarme en mi asiento”, dijo David McKenzie, investigador principal de CLASP2 en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama. “Sé que suena esotérico, pero acabas de mostrar el campo magnético a cuatro alturas al mismo tiempo. ¡Nadie hace eso! “

El aspecto más sorprendente de los datos fue lo variada que resultó ser la cromosfera. Tanto a lo largo de la porción del Sol que estudiaron como a diferentes alturas dentro de ella, el campo magnético varió significativamente.

“En la superficie del Sol vemos campos magnéticos que cambian en distancias cortas; más arriba esas variaciones están mucho más difusas. En algunos lugares, el campo magnético no llegó hasta el punto más alto que medimos, mientras que en otros lugares, estaba en plena potencia “.

El equipo espera utilizar esta técnica para mediciones magnéticas de múltiples alturas para mapear el campo magnético de toda la cromosfera. Esto no solo ayudaría a nuestra capacidad para predecir el clima espacial, sino que también nos brindaría información clave sobre la atmósfera alrededor de nuestra estrella.

“Soy un físico coronal, estoy realmente interesado en los campos magnéticos de allí”, dijo Rachmeler. “Poder elevar nuestro límite de medición a la parte superior de la cromosfera nos ayudaría a comprender mucho más, nos ayudaría a predecir mucho más; sería un gran paso adelante en la física solar”.

Tendrán la oportunidad de dar ese paso pronto: la NASA acaba de dar luz verde a un nuevo vuelo de la misión. Aunque la fecha de lanzamiento aún no está fijada, el equipo planea usar el mismo instrumento pero con una nueva técnica para medir una franja mucho más amplia del Sol.

“En lugar de simplemente medir los campos magnéticos a lo largo de la franja muy estrecha, queremos escanearlo a través del objetivo y hacer un mapa bidimensional”, dijo McKenzie.

MEDICIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS

Para medir la fuerza del campo magnético, el equipo aprovechó el efecto Zeeman, una técnica centenaria. (La primera aplicación del efecto Zeeman al Sol, por el astrónomo George Ellery Hale en 1908, fue el modo en el que aprendimos que el Sol era magnético). El efecto Zeeman se refiere al hecho de que las líneas espectrales, en presencia de campos magnéticos fuertes, se separan en múltiples. Cuanto más se separan, más fuerte es el campo magnético.

El efecto Zeeman. Esta imagen animada muestra un espectro con varias líneas de absorción: líneas espectrales que se producen cuando los átomos a temperaturas específicas absorben una longitud de onda de luz específica. Cuando se introduce un campo magnético (que se muestra aquí como líneas de campo magnético azul que emanan de una barra magnética), las líneas de absorción se dividen en dos o más. El número de divisiones y la distancia entre ellas revela la fuerza del campo magnético. Hay que tener en cuenta que no todas las líneas espectrales se dividen de esta manera, y que el experimento CLASP2 midió líneas espectrales en el rango ultravioleta, mientras que esta demostración muestra líneas en el rango visible.
Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Scott Weissinger.

Sin embargo, la cromosfera caótica tiende a “difuminar” las líneas espectrales, lo que dificulta saber la distancia a la que se separan, por eso las misiones anteriores tenían problemas para medirlo. La novedad de CLASP2 fue trabajar alrededor de esta limitación midiendo la “polarización circular”, un cambio sutil en la orientación de la luz que ocurre como parte del efecto Zeeman. Al medir cuidadosamente el grado de polarización circular, el equipo de CLASP2 pudo discernir la distancia a la que debían haberse dividido esas líneas manchadas y, por lo tanto, la fuerza del campo magnético.