Explicación del rompecabezas magnético de Parker Solar Probe

Cuando la sonda solar Parker de la NASA envió las primeras observaciones de su viaje al Sol, los científicos encontraron señales de un océano salvaje de corrientes y olas bastante diferente al espacio cercano a la Tierra mucho más cercano a nuestro planeta. Este océano estaba lleno de lo que se conoció como retrocesos: volteretas rápidas en el campo magnético del Sol que cambiaban de dirección como una carretera de montaña en zigzag.

Los científicos creen que reconstruir la historia de las curvas es una parte importante para comprender el viento solar, el flujo constante de partículas cargadas que fluye desde el Sol. El viento solar corre a través del sistema solar, dando forma a un vasto sistema de clima espacial, que estudiamos regularmente desde varios puntos estratégicos alrededor del sistema solar, pero todavía tenemos preguntas básicas sobre cómo el Sol inicialmente se las arregla para disparar esa ráfaga a dos millones de millas por hora.

Los físicos solares saben desde hace mucho tiempo que el viento solar viene de dos formas: el viento rápido, que viaja alrededor de 430 millas por segundo, y el viento lento, que viaja más cerca de 220 millas por segundo. El viento rápido tiende a provenir de agujeros coronales, manchas oscuras en el Sol llenas de campo magnético abierto. El viento más lento emerge de partes del Sol donde se mezclan los campos magnéticos abiertos y cerrados. Pero todavía hay mucho que aprender sobre lo que impulsa el viento solar, y los científicos sospechan que los retrocesos (rápidos chorros de material solar salpicados por todo él) contienen pistas sobre sus orígenes.

Desde su descubrimiento, los cambios de dirección han provocado una oleada de estudios y debates científicos a medida que los investigadores intentan explicar cómo se forman los pulsos magnéticos.

“Este es el proceso científico en acción”, dijo Kelly Korreck, científica del programa de heliofísica en la sede de la NASA. “Hay una variedad de teorías, y a medida que obtenemos más y más datos para probar esas teorías, nos acercamos a descubrir los cambios y su función en el viento solar”.

Fuegos artificiales magnéticos

En un lado del debate: un grupo de investigadores que cree que las curvas se originan a partir de una espectacular explosión magnética que ocurre en la atmósfera del Sol.

Las señales de lo que ahora llamamos retrocesos fueron observadas por primera vez por la misión conjunta de la NASA y la Agencia Espacial Europea Ulysses, la primera nave espacial en sobrevolar los polos del Sol. Pero décadas más tarde, cuando los datos se transmitieron desde Parker Solar Probe al Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland, que administra la misión, los científicos se sorprendieron al encontrar tantos.

A medida que el Sol gira y sus gases sobrecalentados se agitan, los campos magnéticos migran alrededor de nuestra estrella. Algunas líneas del campo magnético están abiertas, como cintas ondeando al viento. Otros están cerrados, con ambos extremos o “puntos de pie” anclados en el Sol, formando bucles que se dirigen con material solar abrasador. Una teoría, propuesta inicialmente en 1996 basada en datos de Ulysses, sugiere que los cambios son el resultado de un choque entre campos magnéticos abiertos y cerrados. Un análisis publicado el año pasado por los científicos Justin Kasper y Len Fisk de la Universidad de Michigan explora más a fondo la teoría de 20 años.

Cuando una línea de campo magnético abierto roza un bucle magnético cerrado, pueden reconfigurarse en un proceso llamado reconexión de intercambio, una reordenación explosiva de los campos magnéticos que conduce a una forma de retroceso. “La reconexión magnética es un poco como unas tijeras y una pistola de soldar combinadas en una sola”, dijo Gary Zank, físico solar de la Universidad de Alabama en Huntsville. La línea abierta encaja en el circuito cerrado, liberando una ráfaga de plasma caliente del circuito, mientras “pega” los dos campos en una nueva configuración. Ese chasquido repentino arroja una torcedura en forma de S en la línea del campo magnético abierto antes de que el bucle se vuelva a sellar, un poco como, por ejemplo, la forma en que un tirón rápido de la mano envía una onda en forma de S que viaja por una cuerda.

Otros trabajos de investigación han analizado cómo se forman las curvas después de los fuegos artificiales de la reconexión. A menudo, esto significa construir simulaciones matemáticas y luego comparar los cambios generados por computadora con los datos de Parker Solar Probe. Si son una coincidencia cercana, la física utilizada para crear los modelos puede ayudar a describir con éxito la física real de las curvas.

Zank lideró el desarrollo del primer modelo de curvas. Su modelo sugiere que no uno, sino dos látigos magnéticos que nacen durante la reconexión: uno viaja hacia la superficie solar y el otro se desliza hacia el viento solar. Como un cable eléctrico hecho de un haz de cables más pequeños, cada bucle magnético está formado por muchas líneas de campo magnético. “Lo que sucede es que cada uno de estos cables individuales se vuelve a conectar, por lo que produce una gran cantidad de cambios en un corto período de tiempo”, dijo Zank.

Zank y su equipo modelaron la primera sonda en zigzag Parker Solar Probe observada el 6 de noviembre de 2018. Este primer modelo se ajusta bien a las observaciones, lo que alienta al equipo a desarrollarlo más. Los resultados del equipo se publicaron en The Astrophysical Journal el 26 de octubre de 2020.

Otro grupo de científicos, dirigido por el físico James Drake de la Universidad de Maryland, está de acuerdo con la importancia de la reconexión del intercambio. Pero difieren cuando se trata de la naturaleza de los cambios en sí mismos. Donde otros dicen que las curvas son una torcedura en una línea de campo magnético, Drake y su equipo sugieren que lo que Parker está observando es la firma de una especie de estructura magnética, llamada cuerda de flujo.

En las simulaciones de Drake, la torcedura en el campo no viajó muy lejos antes de desaparecer. “Las líneas de campo magnético son como bandas de goma, les gusta volver a su forma original”, explicó. Pero los científicos sabían que las curvas tenían que ser lo suficientemente estables como para viajar hasta donde Parker Solar Probe pudiera verlas. Por otro lado, las cuerdas de flujo, que se cree que son componentes centrales de muchas erupciones solares, son más resistentes. Imagina un bastón de caramelo con rayas magnéticas. Esa es una cuerda de flujo: tiras de campo magnético envueltas alrededor de un paquete de más campo magnético.

Drake y su equipo piensan que las cuerdas de flujo podrían ser una parte importante para explicar las curvas, ya que deberían ser lo suficientemente estables como para viajar hasta donde Parker Solar Probe las observó. Su estudio, publicado en Astronomy and Astrophysics el 8 de octubre de 2020, sienta las bases para construir un modelo basado en cuerdas de flujo para describir los orígenes de las curvas.

Lo que estos científicos tienen en común es que piensan que la reconexión magnética puede explicar no solo cómo se forman las curvas, sino también cómo el viento solar se calienta y sale del sol. En particular, las curvas están relacionadas con el lento viento solar. Cada cambio dispara una gota de plasma caliente al espacio. “Entonces nos preguntamos, ‘Si sumas todas esas ráfagas, ¿pueden contribuir a la generación del viento solar?’”, Dijo Drake.

Siguiendo la corriente

En el otro lado del debate están los científicos que creen que las curvas se forman en el viento solar, como un subproducto de las fuerzas turbulentas que lo provocan.

Jonathan Squire, físico espacial de la Universidad de Otago de Nueva Zelanda, es uno de ellos. Usando simulaciones por computadora, estudió cómo las pequeñas fluctuaciones en el viento solar evolucionaban con el tiempo. “Lo que hacemos es intentar seguir una pequeña porción de plasma mientras se mueve hacia afuera”, dijo Squire.

Cada parcela de viento solar se expande a medida que escapa del Sol, inflando como un globo. Las ondas que ondulan a través del Sol crean pequeñas ondas en ese plasma, ondas que crecen gradualmente a medida que se propaga el viento solar.

“Comienzan primero como ondulaciones, pero luego lo que vemos es que a medida que crecen aún más, se convierten en curvas”, dijo Squire. “Es por eso que creemos que es una idea bastante convincente, simplemente sucedió por sí sola en el modelo”. El equipo no tuvo que incorporar ninguna suposición sobre la nueva física en sus modelos: los cambios aparecieron basados ​​en la ciencia solar bastante acordada.

El modelo de Squire, publicado el 26 de febrero de 2020, sugiere que las curvas se forman naturalmente a medida que el viento solar se expande hacia el espacio. Las partes del viento solar que se expanden más rápidamente, predice, también deberían tener más retrocesos, una predicción que ya se puede probar con el último conjunto de datos de Parker.

Otros investigadores están de acuerdo en que los cambios comienzan en el viento solar, pero sospechan que se forman cuando las corrientes rápidas y lentas de viento solar se frotan entre sí. Un estudio de octubre de 2020, dirigido por Dave Ruffolo de la Universidad Mahidol en Bangkok, Tailandia, describió esta idea.

Bill Matthaeus, coautor del artículo y físico espacial de la Universidad de Delaware en Newark, señala el corte en el límite entre corrientes rápidas y lentas. Este corte entre rápido y lento crea remolinos característicos que se ven en toda la naturaleza, como los remolinos que se forman cuando el agua del río fluye alrededor de una roca. Sus modelos sugieren que estos remolinos en última instancia se convierten en zigzag, curvando las líneas del campo magnético sobre sí mismas.

Pero los remolinos no se forman de inmediato: el viento solar tiene que moverse bastante rápido antes de que pueda doblar sus rígidas líneas de campo magnético. El viento solar alcanza esta velocidad a unos 8,5 millones de millas del Sol. La predicción clave de Mattheaus es que cuando Parker se acerque significativamente más al Sol que eso, lo que debería suceder durante su próximo paso cercano a 6.5 millones de millas del Sol, el 29 de abril de 2021, los cambios deberían desaparecer.

“Si este es el origen, entonces a medida que Parker se mueve hacia la corona inferior, este corte no puede ocurrir”, dijo Mattheaus. “Entonces, los retrocesos causados ​​por el fenómeno que estamos describiendo deberían desaparecer”.

Un aspecto de las curvas que estos modelos de viento solar aún no han simulado con éxito es el hecho de que tienden a ser más fuertes cuando giran en una dirección particular, la misma dirección de rotación del Sol. Sin embargo, ambas simulaciones se crearon con un Sol que estaba quieto, sin girar, lo que puede marcar la diferencia. Para estos modelistas, incorporar la rotación real del Sol es el siguiente paso.

Girando en el viento

Finalmente, algunos científicos piensan que los cambios se derivan de ambos procesos, comenzando con la reconexión o el movimiento del punto de apoyo en el Sol, pero solo creciendo hasta su forma final una vez que salen al viento solar. Un artículo publicado el 9 de marzo por Nathan Schwadron y David McComas, físicos espaciales de la Universidad de New Hampshire y la Universidad de Princeton, respectivamente, adopta este enfoque, argumentando que las curvas se forman cuando las corrientes de viento solar rápido y lento se realinean en sus raíces.

Después de este realineamiento, el viento rápido termina “detrás” del viento lento, en la misma línea del campo magnético. (Imagínese un grupo de corredores en una pista de carreras, con velocistas olímpicos pisándoles los talones). Esto podría suceder en cualquier caso donde el viento lento y rápido se encuentren, pero más notablemente en los límites de los agujeros coronales, donde nace el viento solar rápido. A medida que los agujeros coronales migran a través del Sol, deslizándose por debajo de corrientes de viento solar más lento, el punto de apoyo del viento solar lento se conecta a una fuente de viento rápido. El viento solar rápido corre detrás de la corriente más lenta que tiene delante. Finalmente, el viento rápido supera al viento más lento, invirtiendo la línea del campo magnético y formando un retroceso.

Schwadron cree que el movimiento de los agujeros coronales y de las fuentes de viento solar a través del Sol también es una pieza clave del rompecabezas. La reconexión en el borde de ataque de los agujeros coronales, sugiere, podría explicar por qué las curvas tienden a “zig” de una manera alineada con la rotación del Sol.

“El hecho de que estén orientados de esta manera en particular nos dice algo muy fundamental”, dijo Schwadron.

Aunque comienza con el Sol, Schwadron y McComas piensan que esas corrientes que se reconectan solo se convierten en curvas dentro del viento solar, donde las líneas del campo magnético del Sol son lo suficientemente flexibles como para retroceder sobre sí mismas.

A medida que Parker Solar Probe se acerca cada vez más al Sol, los científicos buscarán ansiosamente pistas que respalden, o desacrediten, sus teorías. “Hay diferentes ideas flotando”, dijo Zank. “Eventualmente algo saldrá bien”.

Parker Solar Probe es parte del programa Living With a Star de la NASA para explorar aspectos del sistema Sol-Tierra que afectan directamente la vida y la sociedad. El programa de vuelo Living With a Star es administrado por el Goddard Space Flight Center de la agencia en Greenbelt, Maryland, para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington, D.C. El Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins implementa la misión para la NASA. La instrumentación científica es proporcionada por equipos dirigidos por el Laboratorio de Investigación Naval, la Universidad de Princeton, la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Michigan.

Traducción no oficial con fines divulgativos.
Créditos: Miles Hatfield y Lina Tran, Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.