Por primera vez, los científicos rastrean las partículas solares más rápidas, hasta sus raíces en el Sol.

Una llamarada solar de AR 11944 emitida el 7 de enero de 2014 vista en varias longitudes de onda de luz, desde el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA. De derecha a izquierda, las imágenes coloreadas artificialmente muestran plasma a aproximadamente 600.000 grados Celsius, 2,5 millones de grados Celsius y 7,1 millones de grados Celsius.
Créditos: NASA/SDO.

Las partículas energéticas solares, o SEP, son uno de los principales desafíos para el futuro de los vuelos espaciales tripulados. Las nubes de estos diminutos proyectiles solares pueden llegar a la Tierra, un viaje de 150 millones de kilómetros, en menos de una hora. Pueden freír la electrónica sensible de las naves espaciales y plantear graves riesgos para los astronautas. Su aparición es extraordinariamente difícil de predecir, en parte porque todavía no sabemos de dónde provienen exactamente desde el Sol.

Un nuevo estudio que rastrea tres estallidos de SEP hasta el Sol ha proporcionado la primera respuesta.

“Por primera vez hemos podido identificar las fuentes específicas de estas partículas energéticas”, dijo Stephanie Yardley, física espacial del University College London y coautora del artículo. “Comprender las regiones de origen y los procesos físicos que producen SEP podría conducir a una mejor previsión de estos eventos”. Los autores del estudio, David Brooks, físico espacial de la Universidad George Mason en Washington, D.C., y Yardley, publicaron sus hallazgos en Science Advances el 3 de marzo de 2021.

Los SEP pueden dispararse desde el Sol hacia cualquier dirección; atrapar uno en la inmensidad del espacio no es poca cosa. El Observatorio del Sistema de Heliofísica de la NASA (una creciente flota de naves espaciales que estudian el Sol, estratégicamente ubicadas en todo el sistema solar) fue diseñado en parte para aumentar las posibilidades de esos encuentros afortunados.

Los científicos han dividido los eventos SEP en dos tipos principales: impulsivos y graduales. Los eventos SEP impulsivos generalmente ocurren después de las erupciones solares (los destellos brillantes en el Sol producidos por erupciones magnéticas abruptas).

“Hay un pico realmente agudo, y luego una disminución exponencial con el tiempo”, dijo Lynn Wilson, científica del proyecto de la nave espacial Wind en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Vista de cerca de una de las llamaradas del AR 11944 emitidas el 7 de enero de 2014. Esta llamarada puede ser la forma en que los SEP detectados por Wind, fueron liberados del sol.
Créditos: NASA / SDO.

Los SEP graduales duran más, a veces días. Fluyen en grandes enjambres, lo que hace que las explosiones sean un riesgo mayor para los astronautas y satélites. Los SEP graduales son empujados desde el interior por eyecciones de masa coronal, o CME, que son grandes jets de material solar que se mueven a través del espacio como un maremoto. Los SEP actúan como surfistas, atrapados en esas olas y propulsados ​​a velocidades increíbles.

El mayor misterio sobre los SEP graduales no es qué los acelera, sino de dónde provienen. Por razones que aún no se comprenden completamente, los SEP contienen una mezcla de partículas diferente a la del otro material que sale del Sol, el viento solar, y contienen menos iones de carbono, azufre y fósforo, por ejemplo. Algunos científicos sospechan que están cortados de una tela completamente diferente, formándose en una característica o capa del Sol diferente a la del viento solar.

Para averiguar de dónde provienen los SEP, Brooks y Yardley rastrearon los eventos SEP graduales desde enero de 2014 hasta su origen en el Sol.

Comenzaron con la nave espacial Wind de la NASA, que orbita en el punto L1 Lagrange, aproximadamente 1 millón y medio de kilómetros más cerca del Sol que nosotros. Uno de los ocho instrumentos de Wind es el instrumento EPACT, que se especializa en detectar SEP. EPACT capturó tres fuertes explosiones SEP el 4, 6 y 8 de enero.

Los datos de Wind mostraron que estos eventos SEP, de hecho, tenían una “huella dactilar” específica: una mezcla de partículas diferente a la que se encuentra típicamente en el viento solar.

“A menudo hay menos azufre en los SEP en comparación con el viento solar, a veces, mucho menos”, dijo Brooks, autor principal del artículo. “Esta es una huella digital única de los SEP que nos permite buscar lugares en la atmósfera del Sol donde también falta azufre”.

Se dirigieron a la nave espacial Hinode de observación del Sol de JAXA/NASA, un observatorio en el que Brooks desempeña un papel operativo crítico para la NASA desde Japón. Hinode estaba observando la Región Activa 11944, un área brillante de fuerte campo magnético con una gran mancha solar oscura visible desde la Tierra. AR 11944 había producido varias llamaradas grandes y CME a principios de enero que liberaron y aceleraron las observaciones SEPs con Wind.

El espectrómetro de imágenes ultravioleta extrema de Hinode, o instrumento EIS, escaneó la región activa, dividiendo la luz en líneas espectrales que se utilizan para identificar elementos específicos. Buscaron lugares en la región activa con una huella digital coincidente, donde la combinación específica de elementos coincidiera con lo que vieron en los datos de Wind.

“Este tipo de investigación es exactamente para lo que se diseñó Hinode”, dijo Sabrina Savage, científica del proyecto estadounidense de Hinode. “La ciencia de sistemas complejos no se puede hacer en una burbuja con una sola misión”.

Los datos de Hinode revelaron la fuente de los eventos SEP, pero no fue lo que Brooks o Yardley esperaban.

Como regla general, el viento solar puede escapar más fácilmente al encontrar líneas de campo magnético abiertas: líneas de campo ancladas al Sol en un extremo pero que fluyen hacia el espacio en el otro.

Las líneas de campo magnético cerradas vuelven al Sol, rodeadas por líneas de campo abierto que se extienden hacia el espacio, como se muestra en esta ilustración.
Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA / Lisa Poje / Genna Duberstein.

“Realmente pensé que lo íbamos a encontrar en los bordes de la región activa donde el campo magnético ya está abierto y el material puede escapar directamente”, dijo Brooks. “Pero la huella dactilar solo coincidió en regiones donde el campo magnético todavía está cerrado”.

Los SEP de alguna manera se habían liberado de fuertes lazos magnéticos conectados al Sol en ambos extremos. Estos bucles atrapan material cerca de la parte superior de la cromosfera, una capa debajo de donde emanan las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal.

“La gente ya ha estado pensando en las formas en que podría salir de un campo cerrado, especialmente en el contexto del viento solar”, dijo Brooks. “Pero creo que el hecho de que el material se haya encontrado en el núcleo de la región, donde los campos magnéticos son muy fuertes, dificulta que esos procesos funcionen”.

El sorprendente resultado plantea nuevas preguntas sobre cómo los SEP escapan del Sol. Identificar la fuente de un evento de estas características es un gran paso adelante.

“Normalmente, tienes que inferir este tipo de cosas; dirías, ‘mira, vimos un SEP y una llamarada solar, y por ello el SEP probablemente provino de la llamarada solar’”, dijo Wilson, que no participó en el estudio. “Pero esta es una prueba directa que une estos dos fenómenos”.

Brooks y Yardley también demuestran una forma de utilizar el creciente Observatorio del Sistema de Heliofísica de la NASA, combinando observaciones de varias naves espaciales para hacer ciencia que antes no era posible.

“Es una forma de pensar en todas las naves espaciales que están en vuelo que puedes usar para hacer un solo estudio”, dijo Wilson. “Es como tener un montón de estaciones meteorológicas: empiezas a tener una idea mucho mejor de lo que está haciendo el tiempo a mayor escala y puedes empezar a intentar predecirlo de forma activa”.

“Estos autores han hecho un trabajo extraordinario combinando los conjuntos de datos correctos y aplicándolos a las preguntas correctas”, dijo Savage. “La búsqueda de los orígenes de partículas energéticas potencialmente dañinas se ha reducido drásticamente gracias a este esfuerzo”.