“Dependemos de lo que ocurre en el Sol y debemos aprender a predecirlo”

Cuando la nave de Solar Orbiter fue lanzada el 11 de febrero de 2020 desde Cabo Cañaveral (Florida, EE UU), los científicos de la misión no se imaginaban que una pandemia les obligaría a abandonar las salas de control en un momento tan crítico. Pese a ello, sobrevivió a sus primeras semanas en órbita y a la puesta en marcha de la instrumentación. Este mes de noviembre, tras sobrevolar la Tierra y atravesar con éxito las nubes de basura espacial, la nave ha finalizado su etapa de crucero, dando paso a la fase científica.

Sus objetivos son estudiar de cerca el Sol y tratar de comprender mejor cómo se genera la heliosfera, la región del espacio que se ve afectada por los fenómenos de nuestra estrella y en la cual se incluye todo nuestro sistema solar. José Carlos del Toro, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), forma parte de esta misión de la Agencia Espacial Europea, en colaboración con la NASA, y que cuenta con participación española.

Que el Sol se encuentre tan cerca de nosotros, ¿es una ventaja o un inconveniente para estudiar nuestra estrella?

Ventajas todas. El Sol es, hoy por hoy, la única estrella que podemos observar con detalle suficiente como para llegar a hacer física fundamental. De hecho, en el Sol se hacen todos los días estudios y desarrollos de física atómica y de óptica, por ejemplo, que no se pueden hacer en otras estrellas. Resulta un laboratorio excelente de fenómenos que difícilmente se pueden controlar en laboratorios terrestres, porque no es sencillo tener temperaturas tan altas, de miles de Kelvin, y presiones con órdenes de magnitud mayores que la presión atmosférica.

Todos esos fenómenos que presenciamos con suficiente nivel de detalle en el Sol nos enseñan cosas que nos son útiles para nuestra vida en la Tierra. Además, nuestra estrella, por estar a la distancia a la que está, no es solo nuestra fuente de energía.

¿Qué otro papel cumple?

Es parte de nuestro medioambiente. Nosotros vivimos dentro de la atmósfera extendida del Sol, lo que llamamos la heliosfera. Esa región que representa el conjunto de fenómenos y de partículas cuyo origen está en el Sol y que se extiende hasta los confines del sistema solar. Nos incluye. En ella se sucede una serie de sucesos que afectan claramente a nuestra vida en la Tierra. A día de hoy lo que ocurre en la heliosfera nos afecta mucho más que en los 5.000 millones de años que lleva el Sol funcionando.

Nosotros vivimos dentro de la atmósfera extendida del Sol, lo que llamamos la heliosfera y, a día de hoy, lo que ocurre en ella nos afecta mucho más que en los 5.000 millones de años que lleva nuestra estrella funcionando

¿Por qué nos afecta más?

Cada vez somos más dependientes de nuestro entorno espacial. Para hablar todos los días usamos teléfonos que utilizan, como poco, la ionosfera como espejo reflector. Y también se sirven de los satélites de comunicaciones para casi todo. Ver la televisión, ‘googlear’ en internet, navegar tanto por barco como por avión o en nuestros propios vehículos… Toda nuestra vida cada vez es más dependiente de la tecnología y de nuestro entorno espacial, que es vulnerable a los fenómenos que se originan en el Sol y estos pueden afectar notablemente a nuestra vida. Por ello, es crucial predecir estos fenómenos.

De la misma forma en que predecimos el tiempo…

Exacto. Dependemos de lo que ocurre en el Sol y tenemos que aprender a predecirlo, de la misma manera que hemos aprendido a predecir el tiempo. Todos estos fenómenos que tienen que ver con la vida en la Tierra y cuyo origen es el Sol es lo que llamamos ‘tiempo espacial’. La disciplina que estudia el tiempo espacial y que aspira a predecirlo es la meteorología espacial.

Ilustración de la misión Solar Orbiter. / ESA/Medialab

Volviendo a la influencia de la heliosfera, ¿cómo actúan las partículas del Sol y afecta a nuestra tecnología?

Bueno, para empezar sabemos que el Sol está emitiendo, de forma continuada, lo que se llama ‘viento solar’, una nube de partículas, fundamentalmente protones y electrones, que son expelidas con dos tipos de velocidad, pero sin aparentes grandes consecuencias.

Sin embargo, de forma episódica se producen conversiones de energía enormes, en las que la energía que previamente se almacenaba en el campo magnético del Sol se convierte, por un lado, en radiación electromagnética, en fulguraciones muy notables que pueden llegar a emitir incluso rayos X; y por otro, en energía cinética, energía de movimiento.

Esa energía cinética acelera estas partículas de viento solar, que acaban siendo expelidas a velocidades cercanas a la mitad de la velocidad de la luz. Cuando estas partículas, altamente energéticas, llegan a la Tierra, como son iones (es decir, partículas cargadas eléctricamente), se desvían por las líneas del campo magnético de la misma. Su destino acaba siendo normalmente los polos.

Y así acabamos viendo las auroras...

Exacto. Las auroras son una manifestación hermosísima y necesaria, pero son la punta del iceberg. Cuando estas partículas exceden la energía que puede soportar el escudo geomagnético de la Tierra, impactan en la ionosfera y alteran el estado físico de esta capa.

En estas regiones tenemos satélites cuya órbita se puede ver alterada. ¡Tenemos la Estación Espacial Internacional (ISS) con personas dentro! Y en esta, de hecho, tienen un receptáculo con un buen grosor de plomo donde, en caso de que venga una gran tormenta solar, los astronautas deben encerrarse para protegerse de la radiación.

A día de hoy no sabemos cuándo se van a producir estas tormentas solares pero, si fuéramos capaces de predecirlas, ¿qué medidas podríamos tomar?

Efectivamente no sabemos predecirlo todavía. Nos encontramos en los albores de la meteorología espacial. En el futuro podríamos precavernos y poner remedio. Si somos capaces de anticiparnos con suficiente antelación al fenómeno en sí, entonces podríamos evacuar, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional. O si sabemos que hay una tormenta solar que puede pillar a un avión en pleno vuelo, podríamos desviarlo. Conocer esto con antelación nos ayudaría a protegernos.

Nos encontramos en los albores de la meteorología espacial. Si en el futuro somos capaces de predecir las tormentas solares podríamos, por ejemplo, evacuar la Estación Espacial Internacional o desviar un avión en pleno vuelo 

¿Qué necesitamos para alcanzar este nivel de predicción?

Con las observaciones que hacemos desde Tierra solo podemos ver medio Sol. Típicamente nos cambia la cara cada dos semanas, pero solo podemos observar la que tenemos delante. Si pudiéramos saber lo que está ocurriendo detrás (¡que no la cara oculta, porque esa parte de detrás pasará en cuestión de días a ser la de delante!), entonces tendríamos quince días de anticipación.

De hecho, en el pasado se formularon teorías con técnicas especiales de heliosismología –una de las técnicas más efectivas para comprender el interior de las estrellas– para tratar de saber qué estaba ocurriendo en la otra cara del Sol. Así se empezó a predecir la actividad magnética solar de la cara trasera de nuestra estrella.

Y de esta forma podríamos saber si dentro de quince días se puede producir una tormenta solar…

¡Exacto! Comenzamos a establecer esta técnica y, con las medidas de la cara de delante, empezamos a predecir lo que estaba ocurriendo detrás.

El investigador José Carlos del Toro en su despacho del IAA-CSIC. / Lucia Casas

Hablemos ahora de Solar Orbiter. ¿Cómo ayudará a conocer más sobre nuestra estrella para predecir su actividad?

Con Solar Orbiter nos hemos puesto en el otro lado, en oposición con la Tierra y, hete aquí, que las primeras medidas que estamos haciendo del campo magnético en la cara posterior del Sol coinciden bastante bien con las predicciones teóricas. Así es: por primera vez, ¡le hemos visto el ‘culo’ al Sol! [risas].

¿Qué resultados espera que se obtengan con esta misión?

Muchas cosas. Para empezar, como te decía, hemos visto la parte de detrás del Sol, y eso ya es importante de por sí, ya que nos servirá para el estudio de la meteorología espacial. Además, con Solar Orbiter vamos a poder seguir la evolución de las estructuras con mayor fiabilidad que cuando lo hacemos desde la Tierra, porque vamos a poder separar más fácilmente lo que es efecto de perspectiva de lo que es la mera evolución de las distintas estructuras solares.

Por primera vez hemos visto la parte de detrás del Sol, algo importante para el estudio de la meteorología espacial, y además vamos a poder seguir la evolución de las estructuras solares con mayor fiabilidad que desde la Tierra

Piensa en esto: cuando una estructura, como una mancha solar, sale por el este y se pone por el oeste, han pasado trece días. Como la superficie del Sol es curva no vemos esta mancha por igual cuando está en un limbo, que cuando está en el otro o mismamente en el centro. Idealmente, si nosotros pudiéramos rotar con el Sol, podríamos estudiar con todo detalle lo que estamos viendo sin importar el momento. Eso es lo que hará esta nave.

¿Y qué me dice de su órbita?

¡Esto también es importantísimo! Con Solar Orbiter nos vamos a separar de la eclíptica, el plano en el cual se encuentran los planetas. La nave Ulysses (NASA y ESA) ya había orbitado al Sol fuera de la eclíptica, pero ahora, por primera vez, vamos a poner una fuera de la eclíptica a observar el Sol con instrumentos de sondeo remoto.

Lo que hacía Ulysses era tomar medidas locales de las propiedades de las partículas que se encontraban a su alrededor, tal como está haciendo en estos momentos Parker Solar Probe (NASA). Esta misión se acercará muchísimo a nuestra estrella pero, al igual que Ulysses, la nave va ‘ciega’. En este sentido Solar Orbiter ayudará a otras misiones gracias a sus instrumentos de sondeo remoto; seremos los ‘ojos’ de otras misiones espaciales.

¿Cómo consigue Solar Orbiter salirse de la eclíptica?

Con sucesivas ayudas gravitatorias de Venus y de la Tierra nuestra nave se inclina con respecto a la eclíptica. Y esto no lo puedes hacer solo con combustible, necesitas un gran impulso. De hecho, en noviembre Solar Orbiter se acercó a la Tierra precisamente para tomar ese impulso extra. Se aproximó un montón a la Tierra, en torno a 400 km. ¡Como de aquí (Granada) a Madrid, pues poco más! [risas].

Como imaginarás, al salirnos de este plano de la eclíptica obtenemos una perspectiva inigualable de los polos del Sol. Desde la Tierra no podemos observarlos de este modo, ya que los polos de nuestra estrella son casi perpendiculares al plano de la eclíptica.

¿Para qué queremos ver los polos del Sol?

Podremos entender mejor los campos magnéticos de la estrella. Lo que ocurre en los polos es muy importante para los cambios de ciclo de actividad solar que se producen cada 11 años y que tienen como consecuencia el intercambio del polo norte por el sur y viceversa. Si somos capaces de medir bien el campo magnético en los polos, podremos corroborar nuestras teorías sobre los cambios de ciclo del Sol.

Al salirnos del plano de la eclíptica obtenemos una perspectiva inigualable de los polos del Sol, y así podremos entender mejor los campos magnéticos de la estrella

¿Cómo veremos ese campo magnético?

Nosotros hacemos todo lo que cualquier astrónomo hace con la luz. Estudiamos nuestra estrella con técnicas de imagen, de espectroscopía y de polarimetría. No contentos con eso, a bordo de la nave traducimos la luz en términos de los parámetros físicos del Sol con un código (de inversión de la ecuación de transporte radiativo) que, por decirlo de forma sencilla, traduce nuestras medidas de luz en valores de los parámetros físicos del Sol.

Aunque hay muchos instrumentos que se han denominado a lo largo del tiempo como magnetógrafos, el nuestro es el primero. Nosotros no mandamos imágenes del Sol a la Tierra, sino campos magnéticos y velocidades ya ‘cocinadas’. Se hace la conversión a bordo.

¿Se ‘cocina’ a bordo por necesidad o es una estrategia?

Estamos tan lejos de la Tierra la mayor parte del tiempo… ¡Incluso a veces por detrás del Sol! Hay momentos en los que ni siquiera tenemos comunicación, de modo que no nos podemos permitir el lujo de enviar todos los datos brutos.

En Solar Orbiter no solo se hace el típico procesamiento mínimo de datos que se lleva a cabo con cualquier otro instrumento o en cualquier otra misión espacial: realizamos parte del análisis científico a bordo para, por así decirlo, comprimir de forma inteligente los datos. Así conseguimos grandes factores de conversión sin apenas pérdidas de información. Somos muy eficientes en esto porque no nos queda otra.

¿Cómo valora este avance?

En realidad esto a los científicos no nos gusta mucho, pero las características particulares de la órbita y las necesidades de Solar Orbiter, que lleva prácticamente todo tipo de instrumentos, nos han obligado a eso. Con todo, gracias a esta necesidad, hoy por hoy, nuestro satélite es el único en el mundo que tiene un chip que invierte en estas ecuaciones de transporte radiativo en media hora a bordo de la nave lo que otras misiones, como Solar Dynamics Observatory de la NASA, hacen con 50 ordenadores en Tierra durante una hora. Sin duda es impresionante.

Solar Orbiter cuenta con diez instrumentos. Algunos tomarán mediciones del entorno in situ, pero otros son de detección remota, como Polarimetric and Heliosismic Imager (PHI), en cuya fabricación ha participado el Instituto de Astrofísica de Andalucía. ¿Cuál es su función?

El objetivo principal de la misión de Solar Orbiter es comprender cómo el Sol genera y controla la heliosfera, como hemos hablado. Esta gran pregunta se desglosa en otras cuatro más específicas, relacionadas todas ellas con la actividad magnética del Sol. Para tres de estas preguntas la labor SO/PHI es fundamental.

Este instrumento es un generador de imágenes diseñado para proporcionarnos mediciones de muy alta resolución que muestren el campo magnético de la fotosfera (la superficie luminosa de la estrella) y cartografiados de su brillo. Además de esto, es el único capaz de sondear el interior del Sol haciendo mapas de velocidad del movimiento de esta fotosfera.

El objetivo principal de la misión de Solar Orbiter es comprender cómo el Sol genera y controla la heliosfera, y el del instrumento SO/PHI es ofrecer imágenes y mediciones del campo magnético de la fotosfera (superficie luminosa del Sol)

Instrumento SO/PHI (Solar Orbiter's Polarimeter and Helioseismic Imager). / IAA-CSIC

Tras los muchos años de desarrollo de SO/PHI, ¿qué planes tienen ahora en el Grupo de Física Solar del IAA que dirige?

Sin duda, lo primero es explotar los datos que obtengamos con ese instrumento científico, pero nuestro grupo desarrolla y fabrica otros para seguir investigando los campos magnéticos solares. Nuestra andadura comenzó hace 20 años cuando empezamos a concebir IMaX, nuestro primer (mal llamado como te explicaba antes) magnetógrafo, para la misión Sunrise.

Es un globo estratosférico que porta un telescopio de 1 m de abertura hasta una altura de 37 km sobre el nivel del mal, por encima del círculo polar ártico, desde Suecia hasta el Canadá. Con este vuelo, en colaboración con científicos alemanes y americanos, hemos volado en 2009 y 2013, obteniendo resultados interesantísimos. Ahora nos encontramos preparando un tercer vuelo, en el que se nos han unido además científicos japoneses, dando los últimos toques a dos instrumentos (TuMag y SCIP).

Y también estamos desarrollando otro magnetógrafo (PMI) que volará en la misión Lagrange de la ESA, la primera de la agencia espacial europea diseñada específicamente para estudiar el tiempo espacial. Como ves, el entretenimiento lo tenemos garantizado y, esperamos que la gran calidad de los datos obtenidos nos permita realizar excelente ciencia, ayudándonos a entender un poquito más los misterios y las maravillas del Sol.