Estudiando los límites de la interacción del Sol

Nuestro rincón del universo, el sistema solar, está ubicado dentro de la galaxia Vía Láctea, hogar de más de 100 mil millones de estrellas. El sistema solar está encapsulado en una burbuja llamada heliosfera, que nos separa de la vasta galaxia, y de parte de su fuerte radiación espacial.

Estamos protegidos de esa radiación por la heliosfera, que a su vez es creada por otra fuente de radiación: el Sol. El Sol arroja constantemente partículas cargadas, llamadas viento solar, desde su superficie. El viento solar llega a unas cuatro veces la distancia de Neptuno, llevando consigo el campo magnético del Sol.

La heliosfera dentro de la Vía Láctea.
Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA/ Conceptual Image Lab/Walt Feimer.

“Los campos magnéticos tienden a empujarse unos contra otros, pero no se mezclan”, dijo Eric Christian, científico investigador principal de heliosfera en el Goddard Space Flight Center de la NASA, en Greenbelt, Maryland. “Dentro de la burbuja de la heliosfera hay prácticamente todas las partículas y campos magnéticos del Sol. Afuera están los de la galaxia”.

“Para comprender la heliosfera, comience por dividir la palabra”, sugiere David McComas, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton, en Nueva Jersey. “Heliosfera” es la combinación de dos palabras: “Helios”, la palabra griega para el Sol, y “esfera”, una amplia región de influencia (aunque, para ser claros, los científicos no están seguros de la forma exacta de la heliosfera).

La heliosfera fue descubierta a finales de la década de 1950 y todavía quedan muchas preguntas al respecto. A medida que los científicos estudian la heliosfera, aprenden más sobre cómo reduce la exposición de la radiación a astronautas y naves espaciales y, de manera más general, cómo las estrellas pueden influir en sus planetas cercanos.

Una esfera en el espacio

La radiación nos rodea todos los días. Cuando tomamos el sol, disfrutamos de la radiación del sol. Usamos radiación para calentar las sobras en los microondas de nuestra cocina y confiamos en ella para obtener imágenes médicas.

La radiación espacial, sin embargo, es más similar a la radiación liberada por elementos radiactivos como el uranio. La radiación espacial que nos llega de otras estrellas se llama radiación cósmica galáctica (GCR). Las áreas activas de la galaxia, como las supernovas, los agujeros negros y las estrellas de neutrones, pueden quitar los electrones de los átomos y acelerar los núcleos a casi la velocidad de la luz, produciendo GCR.

La heliosfera cambia de tamaño a lo largo del ciclo solar.
Créditos: Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman.

En la Tierra, tenemos tres capas de protección contra la radiación espacial. La primera es la heliosfera, que ayuda a impedir que la GCR llegue a los principales planetas del sistema solar. Además, el campo magnético de la Tierra produce un escudo llamado magnetosfera, que mantiene a la GCR alejada de la Tierra y de los satélites en órbita baja como la Estación Espacial Internacional. Además, los gases de la atmósfera terrestre absorben radiación.

Cuando los astronautas se dirijan a la Luna o a Marte, no tendrán la misma protección que tenemos en la Tierra. Solo tendrán la protección de la heliosfera, cuyo tamaño fluctúa a lo largo del ciclo del Sol de 11 años de duración.

En cada ciclo solar, el Sol atraviesa períodos de intensa actividad y poderosos vientos solares, y períodos más tranquilos. Como si fuese un globo, cuando el viento se calma, la heliosfera se desinfla. Cuando se recupera, la heliosfera se expande.

“El efecto que tiene la heliosfera sobre los rayos cósmicos permite misiones de exploración humana de mayor duración. En cierto modo, permite que los humanos lleguen a Marte “, dijo Arik Posner, heliofísico de la sede de la NASA en Washington, D.C.” El reto para nosotros es comprender mejor la interacción de los rayos cósmicos con la heliosfera y sus límites “.

Anatomía de la heliosfera

Existe cierto debate sobre la forma precisa de la heliosfera. Sin embargo, los científicos coinciden en que tiene varias capas. Veamos las capas de adentro hacia afuera:

Esta ilustración muestra la posición de las sondas Voyager 1 y Voyager 2 de la NASA, fuera de la heliosfera, la burbuja protectora creada por el Sol que se extiende mucho más allá de la órbita de Plutón.
Créditos: NASA/JPL-Caltech.
  • Choque de terminación: todos los planetas principales de nuestro sistema solar están ubicados en la capa más interna de la heliosfera. Aquí, el viento solar emana del Sol a toda velocidad, alrededor de un millón y medio de kilómetros por hora, durante miles de millones de kilómetros, sin verse afectado por la presión de la galaxia. El límite exterior de esta capa central se denomina choque de terminación.
  • Heliofunda: más allá del choque de terminación está la heliofunda. Aquí, el viento solar se mueve más lentamente y se desvía al enfrentarse a la presión del medio interestelar exterior.
  • Heliopausa: la heliopausa marca el límite de plasma final nítido entre el Sol y el resto de la galaxia. Aquí, los campos magnéticos de los vientos solar e interestelar se empujan uno contra el otro, y las presiones internas y externas están en equilibrio.
  • Heliofunda exterior: la región que se encuentra más allá de la heliopausa, que todavía está influenciada por la presencia de la heliosfera.
Cómo estudiamos los confines de la heliosfera

Muchas misiones de la NASA estudian el Sol y las partes más internas de la heliosfera. Pero solo dos objetos creados por humanos han cruzado el límite del sistema solar y han entrado en el espacio interestelar.

En 1977, la NASA lanzó la Voyager 1 y la Voyager 2. Cada nave espacial está equipada con herramientas para medir los campos magnéticos y las partículas existentes en las zonas por las que pasa. Después de pasar los planetas exteriores en su gran viaje, salieron de la heliopausa en 2012 y 2018 respectivamente y actualmente se encuentran en la heliopausa exterior. Descubrieron que los rayos cósmicos son aproximadamente tres veces más intensos fuera de la heliopausa que en el interior de la heliosfera.

Sin embargo, la imagen que pintan las Voyager está incompleta.

“Tratar de conocer la heliosfera completa desde dos puntos, Voyager 1 y 2, es como tratar de determinar el clima en todo el Océano Pacífico usando dos estaciones meteorológicas”, dijo Christian.

Las Voyager trabajan con el Interestelar Boundary Explorer (IBEX) para estudiar la heliosfera. IBEX es un satélite del tamaño de una maleta de 80 kilos, lanzado por la NASA en 2008. Desde entonces, IBEX ha orbitado la Tierra, y está equipado con telescopios que observan el límite exterior de la heliosfera. IBEX captura y analiza una clase de partículas llamadas átomos neutros energéticos, o ENA, que se cruzan en su camino. Los ENAs se forman donde se encuentran el medio interestelar y el viento solar. Algunas ENA fluyen de regreso al centro del sistema solar y por lo tanto, son detectadas por IBEX.

“Cada vez que detecta una de esas ENA, sabe de qué dirección proviene”, dijo McComas, investigador principal de IBEX. “Al recolectar muchos de esos átomos individuales, puedes hacer la imagen de adentro hacia afuera de nuestra heliosfera”. En 2025, la NASA lanzará la sonda de aceleración y cartografía interestelar (IMAP). Las cámaras ENA de IMAP son de mayor resolución y más sensibles que las de IBEX.

Misterios sin resolver

En 2009, IBEX consiguió un hallazgo muy impactante, conocido como IBEX Ribbon, una banda en el cielo donde las emisiones de ENA son dos o tres veces más brillantes que en el resto del cielo.

“El Ribbon fue totalmente inesperado y no fue anticipado por ninguna teoría antes de lanzar la misión”, dijo McComas. Todavía no está del todo claro qué lo causa, pero es un claro ejemplo de los misterios de la heliosfera que quedan por descubrir.     

El Explorador de límites interestelares de la NASA, o IBEX, estudia la heliosfera desde su órbita alrededor de la Tierra. El primer mapa del cielo de IBEX mostró una característica sorprendente denominada “IBEX Ribbon”.
Créditos: NASA/IBEX.

 “Nuestro Sol es una estrella como miles de millones de otras estrellas en el universo. Algunas de esas estrellas también tienen astrosferas, como la heliosfera, pero esta es la única astrosfera en la que estamos dentro y podemos estudiar de cerca”, dijo Justyna Sokol, científica investigadora del Southwest Research Institute en San Antonio, Texas. “Necesitamos comenzar desde nuestro vecindario, para aprender mucho más sobre el resto del universo”.          

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.