Una alineación de las naves Solar Orbiter, liderada por la ESA, y Parker Solar Probe, de la NASA, ha proporcionado las primeras medidas conjuntas de teledetección e in situ de la atmósfera exterior del Sol. Desde hace 65 años, la comunidad científica se pregunta por qué está mucho más caliente que la superficie de nuestra estrella, y su turbulencia parece ser la clave.
La atmósfera exterior del Sol se denomina corona. Está formada por un gas cargado eléctricamente conocido como plasma y tiene una temperatura de alrededor de un millón de grados centígrados. Su temperatura es un misterio, ya que la superficie del Sol solo alcanza unos 6.000 grados.
¿Cómo puede ser? La corona debería ser más fría que la superficie porque la energía del Sol procede del horno nuclear de su núcleo, y las cosas se enfrían de forma natural cuanto más se alejan de la fuente de calor. Sin embargo, la corona es más de 150 veces más caliente que la superficie.
Debe existir otro método para transferir energía al plasma, pero ¿cuál? Desde hace tiempo se sospecha que las turbulencias de la atmósfera solar pueden provocar un calentamiento importante del plasma de la corona. Pero cuando se trata de investigar este fenómeno, los físicos solares se encuentran con un problema práctico: es imposible reunir todos los datos que necesitan con una sola nave espacial.
Hay dos formas de investigar el Sol: la teledetección y las mediciones in situ. En la teledetección, la nave espacial se sitúa a cierta distancia y utiliza cámaras para observar nuestra estrella y su atmósfera en diferentes longitudes de onda. Por su parte, en las mediciones in situ, la nave vuela a través de la región que desea investigar y realiza mediciones de las partículas y los campos magnéticos de esa parte del espacio.
Ambos enfoques tienen sus ventajas. La teledetección muestra los resultados a gran escala, pero no los detalles de los procesos que tienen lugar en el plasma. Por su parte, las mediciones in situ proporcionan información muy específica sobre los procesos a pequeña escala en el plasma pero no muestran cómo afectan a gran escala.
Para obtener una imagen completa, se necesitan dos naves espaciales. Esto es exactamente lo que los físicos solares tienen actualmente con Solar Orbiter, dirigida por la ESA, y la Parker Solar Probe, de la NASA.
Solar Orbiter (en la que también colabora la NASA) está diseñada para acercarse al Sol todo lo posible y realizar operaciones de teledetección y mediciones in situ. Parker Solar Probe renuncia en gran medida a la teledetección del Sol para acercarse aún más y realizar sus mediciones in situ.
Pero para aprovechar al máximo sus enfoques complementarios, Parker Solar Probe tendría que estar dentro del campo de visión de uno de los instrumentos de Solar Orbiter. De ese modo, la segunda podría registrar las consecuencias a gran escala de lo que la primera estuviera midiendo in situ.
Daniele Telloni, investigador del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en el Observatorio Astrofísico de Turín, forma parte del equipo responsable del instrumento Metis del Solar Orbiter.
Metis es un coronógrafo que bloquea la luz de la superficie del Sol y toma imágenes de la corona. Es el instrumento perfecto para las mediciones a gran escala, por lo que Daniele comenzó a buscar los momentos en los que Parker Solar Probe se alinearía.
El instrumento Metis de Solar Orbiter observa la corona del Sol. / ESA & NASA/Solar Orbiter/Metis team; D. Telloni et al (2023)
Descubrió que el 1 de junio de 2022, las dos naves espaciales estarían en la configuración orbital correcta, casi. Esencialmente, Solar Orbiter estaría mirando al Sol y Parker Solar Probe estaría justo al lado, tentadoramente cerca pero justo fuera del campo de visión del instrumento Metis.
Cuando Daniele se planteó el problema, se dio cuenta de que todo lo que hacía falta para que Parker Solar Probe estuviera a la vista era un poco de ‘gimnasia’ con Solar Orbiter: un giro de 45 grados y luego apuntarlo ligeramente lejos del Sol.
Pero cuando todas las maniobras de una misión espacial están cuidadosamente planificadas de antemano, y las propias naves espaciales están diseñadas para apuntar solo en direcciones muy concretas, sobre todo cuando se enfrentan al temible calor del Sol, no estaba claro que el equipo de operaciones de la nave autorizara semejante desviación. Sin embargo, una vez que todos tuvieron claro el rendimiento científico potencial, la decisión fue un claro "sí".
El giro y el apuntamiento siguieron adelante. La Parker Solar Probe entró en el campo de visión y, juntas, las naves espaciales produjeron las primeras mediciones simultáneas de la configuración a gran escala de la corona solar y de las propiedades microfísicas del plasma.
"Este trabajo es el resultado de la contribución de muchísimas personas", afirma Daniele, que dirigió el análisis de los conjuntos de datos. Trabajando juntas, han podido realizar la primera estimación combinada observacional e in situ de la tasa de calentamiento coronal. Ahora publican los resultados en The Astrophysical Journal Letters.
"La posibilidad de utilizar tanto el Solar Orbiter como la Parker Solar Probe ha abierto realmente una dimensión completamente nueva en esta investigación", afirma Gary Zank, de la Universidad de Alabama en Huntsville (EE UU) y coautor del estudio.
Al comparar el nuevo índice medido con las predicciones teóricas realizadas por los físicos solares a lo largo de los años, Daniele ha demostrado que los físicos solares estaban casi con toda seguridad en lo cierto al identificar la turbulencia como una forma de transferir energía.
La forma concreta en que lo hace la turbulencia no es muy distinta de lo que ocurre cuando se remueve el café por la mañana. Al estimular los movimientos aleatorios de un fluido, ya sea un gas o un líquido, la energía se transfiere a escalas cada vez más pequeñas, lo que culmina en la transformación de la energía en calor.
En el caso de la corona solar, el fluido también está magnetizado, por lo que la energía magnética almacenada también está disponible para ser convertida en calor.
Esta transferencia de energía magnética y de movimiento de escalas mayores a menores es la esencia misma de la turbulencia. En las escalas más pequeñas, permite que las fluctuaciones interactúen finalmente con partículas individuales, en su mayoría protones, y las calienten.
Hay que seguir trabajando antes de poder decir que el problema del calentamiento solar está resuelto, pero ahora, gracias al trabajo de Daniele, los físicos solares tienen su primera medición de este proceso.
"Se trata de una primicia científica. Este trabajo representa un importante paso adelante en la resolución del problema del calentamiento coronal", concluye Daniel Müller, otro de los científicos del proyecto.
Referencia:
Daniele Telloni et al. "Coronal Heating Rate in the Slow Solar Wind". The Astrophysical Journal Letters, 2023.
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