El Sol como nunca lo habías visto gracias a Solar Orbiter

Lunes, 06 junio 2022

Poderosas erupciones, increíbles vistas de los polos solares y un curioso ‘erizo’ solar se encuentran entre el conjunto de espectaculares imágenes, películas y datos obtenidos por la misión Solar Orbiter en su primera aproximación al Sol. Aunque el análisis del nuevo conjunto de datos no ha hecho más que empezar, ya está claro que la misión liderada por la Agencia Espacial Europea (ESA), en la que colabora la UAH, está proporcionando extraordinarios conocimientos sobre el comportamiento magnético del Sol y la forma en que esto determina la meteorología espacial.

La aproximación más cercana de Solar Orbiter al Sol, conocida como perihelio, tuvo lugar el 26 de marzo. La nave se encontraba dentro de la órbita de Mercurio, a aproximadamente un tercio de la distancia que se encuentra el Sol de la Tierra, y su escudo térmico alcanzó unos 500 °C de temperatura, pero disipó el calor con su innovadora tecnología para mantenerse segura y en funcionamiento.

Solar Orbiter lleva diez instrumentos científicos (nueve de ellos dirigidos por los Estados miembros de la ESA y uno por la NASA), todos ellos trabajando en estrecha colaboración para proporcionar una visión sin precedentes de cómo ‘funciona’ nuestra estrella local. Algunos son instrumentos de teledetección que observan el Sol, mientras que otros son instrumentos in situ que monitorizan las condiciones en el entorno de la nave, permitiendo a los científicos ‘unir los puntos’ de lo que ven que ocurre en el Sol y lo que Solar Orbiter ‘siente’ en su posición en el viento solar a millones de kilómetros de distancia del Sol.

Con respecto al perihelio, es evidente que cuanto más se acerca la nave al Sol, más detalles es capaz de ver el instrumento de teledetección. Y, afortunadamente, la nave también captó varias erupciones solares, e incluso una eyección de masa coronal dirigida a la Tierra, proporcionando una oportunidad de realizar predicciones meteorológicas espaciales en tiempo real, una tarea cada vez más importante debido a la amenaza que la meteorología espacial supone para la tecnología y los astronautas.

Presentación del erizo solar

‘Las imágenes son realmente impresionantes’, afirma David Berghmans, del Real Observatorio de Bélgica, investigador principal (IP) del Telescopio Ultravioleta Extremo (Extreme Ultraviolet Imager, EUI), que toma imágenes de alta resolución de las capas inferiores de la atmósfera del Sol, conocidas como la corona solar. Esta región es donde tiene lugar la mayor parte de la actividad solar que impulsa la meteorología espacial.

La tarea del equipo del EUI consiste ahora en comprender lo que están viendo. No es una tarea fácil porque Solar Orbiter está revelando mucha actividad en el Sol a pequeña escala. Una vez que han detectado una característica o un acontecimiento que no pueden reconocer de inmediato, deben buscar en observaciones solares anteriores realizadas por otras misiones espaciales para ver si se ha visto algo similar antes.

‘Incluso si Solar Orbiter dejara de tomar datos mañana, estaría ocupado durante años tratando de entender todo esto’, dice David Berghmans.

Durante este perihelio, se observó una característica especialmente llamativa que provisionalmente se ha apodado ‘el erizo’. Se extiende 25.000 kilómetros a través del Sol y tiene una multitud de picos de gas caliente y frío que se extienden en todas las direcciones.

Unir los puntos

El principal objetivo científico de Solar Orbiter es explorar la conexión entre el Sol y la heliosfera. La heliosfera es la gran ‘burbuja’ del espacio que se extiende más allá de los planetas del Sistema Solar. Está llena de partículas cargadas eléctricamente, la mayoría de las cuales han sido expulsadas por el Sol formando el viento solar. El movimiento de estas partículas y los campos magnéticos solares asociados son los que crean el clima espacial.

Para trazar los efectos del Sol en la heliosfera, los resultados de los instrumentos in situ, que registran las partículas y los campos magnéticos que atraviesan la nave espacial, deben relacionarse con los acontecimientos anteriores en la superficie visible del Sol o cerca de ella, que son registrados por los instrumentos de teledetección.

No es una tarea fácil, ya que el entorno magnético que rodea al Sol es muy complejo, pero cuanto más se acerque la nave al Sol, menos complicado será rastrear los eventos de las partículas hasta el Sol a lo largo de las ‘autopistas’ de las líneas del campo magnético. El primer perihelio fue una prueba clave de esta tarea y los resultados hasta ahora parecen muy prometedores.

El 21 de marzo, unos días antes del perihelio, una nube de partículas energéticas pasó por la nave. Fue detectada por el detector de partículas energéticas (Energetic Particle Detector, EPD). Un dato interesante es que las partículas más energéticas llegaron primero, seguidas por las de energías más y más bajas. ‘Esto sugiere que las partículas no se producen cerca de la nave espacial’, afirma Javier Rodríguez-Pacheco, de la Universidad de Alcalá (España), e investigador principal del EPD. Por el contrario, se produjeron en la atmósfera solar, más cerca de la superficie del Sol. Al cruzar el espacio, las partículas más rápidas se adelantaron a las más lentas, como los atletas en una prueba de velocidad.

Ese mismo día, el experimento Ondas de Radio y Plasma (Radio and Plasma Waves, RPW) las vio venir, captando el fuerte barrido de radiofrecuencias característico que se produce cuando se desplazan partículas aceleradas —en su mayoría electrones— a lo largo de una espiral siguiendo las líneas del campo magnético del Sol. El RPW detectó entonces unas oscilaciones conocidas como ondas de Langmuir. ‘Estas son una señal de que los electrones energéticos han llegado a la nave espacial’, afirma Milan Maksimovic, de LESIA, Observatorio de París, Francia, IP de RPW.

De los instrumentos de teledetección, tanto el EUI como el Espectrómetro/Telescopio de rayos X (STIX) vieron eventos en el Sol que podrían haber sido responsables de la liberación de las partículas. Aunque las partículas que salen al espacio son las que detectaron el EPD y el RPW, es importante recordar que otras partículas pueden viajar hacia abajo a raíz del evento, impactando contra los niveles más bajos de la atmósfera del Sol. Aquí es donde entra en juego STIX.

Mientras que EUI ve la luz ultravioleta liberada desde el lugar de la erupción en la atmósfera del Sol, STIX ve los rayos X que se producen cuando los electrones acelerados por la erupción interactúan con los núcleos atómicos en los niveles inferiores de la atmósfera del Sol.

Los equipos deben investigar ahora cómo se relacionan exactamente todas estas observaciones.  La composición de las partículas detectadas por el EPD indica que probablemente fueron aceleradas por un choque coronal en un evento más gradual, en lugar de repentinamente por una erupción. ‘Puede ser que haya varios sitios de aceleración’, dice Samuel Krucker, de FHNW, Suiza, IP de STIX.

Pero curiosamente, el instrumento del magnetómetro (MAG) no registró nada importante en ese momento. Sin embargo, esto no es inusual. La erupción inicial de partículas, conocida como eyección de masa coronal (EMC), acarrea un fuerte campo magnético que el MAG puede registrar fácilmente, pero las partículas energéticas del evento viajan mucho más rápido que la EMC y pueden llenar rápidamente grandes volúmenes de espacio y pueden, por lo tanto, ser detectadas por Solar Orbiter. ‘Pero si la EMC no llega a la nave espacial, el MAG no verá ninguna señal’, dice Tim Horbury, del Imperial College, Reino Unido, PI del MAG.

Cuando se trata del campo magnético, todo comienza en la superficie visible del Sol, conocida como fotosfera. Aquí es donde el campo magnético generado internamente irrumpe en el espacio. Para conocer su aspecto, Solar Orbiter lleva el Telescopio Polarimétrico y Heliosísmico (Polarimetric and Helioseismic Imager, PHI). Éste puede ver la polaridad magnética norte y sur en la fotosfera, así como la ondulación de la superficie del Sol debido a las ondas sísmicas que viajan por su interior.

‘Proporcionamos las mediciones del campo magnético en la superficie del sol. Este campo se expande, se adentra en la corona y, básicamente, impulsa todo el brillo y la acción que se ve allí arriba’, explica Sami Solanki, del Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, de Göttingen (Alemania), IP del PHI.

Otro instrumento, el Spectral Imaging of the Coronal Environment (Espectrómetro de imagen del entorno coronal, SPICE), registra la composición de la corona. Estos ‘mapas de abundancia’ pueden compararse con el contenido del viento solar observado por el instrumento Analizador del Viento Solar (Solar Wind Analyser, SWA). ‘Esto permitirá rastrear la evolución de la composición del viento solar desde el Sol hasta la nave, lo que nos informa sobre los mecanismos responsables de la aceleración del viento solar’, afirma el investigador principal de SPICE, Frédéric Auchère, del Institut d'Astrophysique Spatiale (Francia).

Predecir la meteorología espacial

Al combinar los datos de todos los instrumentos, el equipo científico podrá contar la historia de la actividad solar desde la superficie del Sol hasta Solar Orbiter y más allá. Y ese conocimiento es exactamente lo que allanará el camino para un futuro sistema diseñado para predecir las condiciones meteorológicas espaciales en la Tierra en tiempo real. En el período antes de alcanzar el perihelio, Solar Orbiter pudo incluso comprobar cómo podría funcionar un sistema de este tipo.

La nave espacial volaba corriente arriba de la Tierra. Esta perspectiva única significaba que estaba monitoreando las condiciones del viento solar que golpearía la Tierra varias horas después. Como la nave estaba en contacto directo con la Tierra y sus señales viajaban a la velocidad de la luz, los datos llegaron a tierra en pocos minutos, listos para ser analizados. La suerte quiso que en ese momento se detectaran varias eyecciones de masa coronal (EMC), algunas de las cuales se dirigían directamente a la Tierra.

El 10 de marzo, una EMC alcanzó la nave. Gracias a los datos de la MAG, el equipo pudo predecir el momento en el que llegaría a la Tierra. El anuncio de esta noticia en las redes sociales permitió a los observadores del cielo estar preparados para la aurora, que llegó unas 18 horas después en el momento previsto.

Esta experiencia permitió a Solar Orbiter obtener una muestra de cómo prever las condiciones meteorológicas espaciales en la Tierra en tiempo real. Esto es cada vez más importante debido a la amenaza que supone la meteorología espacial para la tecnología y los astronautas.

La ESA está planificando una misión llamada ESA Vigil que se situará a un lado del Sol observando la región del espacio en dirección a la Tierra. Su trabajo consistirá en obtener imágenes de las EMC que atraviesen esta región, especialmente las que se dirijan a nuestro planeta. Durante el perihelio, Solar Orbiter se posicionó de manera que sus instrumentos Metis y SoloHI pudieran proporcionar exactamente este tipo de imágenes y datos.

Metis toma imágenes de la corona a partir de 1,7-3 radios solares. Al tapar el disco brillante del Sol, puede ver la corona más tenue. ‘Ofrece los mismos detalles que las observaciones terrestres de eclipses totales, pero en lugar de unos pocos minutos, Metis puede observar de forma continua’, afirma Marco Romoli, de la Universidad de Florencia (Italia), IP de Metis.

SoloHI graba imágenes de la luz solar dispersada por los electrones del viento solar. Una de las erupciones, el 31 de marzo, llegó a la clase X, la más energética de las conocidas. Todavía no se han analizado los datos porque la mayoría permanecen en la nave a la espera de ser descargados. Ahora que Solar Orbiter está más lejos de la Tierra, el ritmo de transferencia de datos se ha reducido y los investigadores deben ser pacientes, pero están más que preparados para comenzar su análisis cuando lleguen.

‘Siempre nos interesan los grandes acontecimientos porque producen las mayores reacciones y la física más interesante, al observarse los extremos’, afirma Robin Colaninno, del Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU., en Washington DC, IP de SoloHI.

Próximamente

No cabe duda de que los equipos de instrumentos tienen ahora mucho trabajo por delante. El perihelio fue un gran éxito y ha generado una gran cantidad de datos extraordinarios. Y es solo una muestra de lo que está por venir. La nave ya está recorriendo el espacio a toda velocidad para dirigirse hacia su próximo perihelio, un poco más cercano, el 13 de octubre, a 0,29 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. Antes, el 4 de septiembre, realizará su tercer sobrevuelo de Venus.

Solar Orbiter ya ha tomado sus primeras imágenes de las regiones polares del Sol, en gran parte inexploradas, pero aún queda mucho por hacer.

El 18 de febrero de 2025, Solar Orbiter se encontrará con Venus por cuarta vez. Esto aumentará la inclinación de la órbita de la nave a unos 17 grados. El quinto encuentro con Venus, el 24 de diciembre de 2026, aumentará aún más la inclinación de la órbita, hasta los 24 grados, y marcará el inicio de la misión de ‘alta latitud’.

En esta fase, Solar Orbiter verá las regiones polares del Sol de forma más directa que nunca. Estas observaciones en la línea de visión son fundamentales para desentrañar el complejo entorno magnético de los polos, que a su vez puede contener el secreto del ciclo de 11 años de actividad creciente y menguante del Sol.

‘Estamos encantados con la calidad de los datos de nuestro primer perihelio’, afirma Daniel Müller, científico del proyecto Solar Orbiter de la ESA. ‘Es difícil pensar que apenas estamos en el principio de la misión. Vamos a estar muy ocupados’. 

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