Resuelve un misterio cósmico de 65 años

La atmósfera exterior del Sol, conocida como corona, se puede ver extendiéndose hacia el espacio en esta imagen tomada por el instrumento Metis de Solar Orbiter. Metis es un dispositivo de múltiples longitudes de onda que opera en longitudes de onda visibles y ultravioleta. Es un coronógrafo, lo que significa que bloquea la luz solar brillante de la superficie del Sol, dejando visible la tenue luz que dispersa las partículas en la corona. En esta imagen, el disco rojo borroso representa la corona, mientras que el disco blanco es una máscara para comprimir el tamaño de la imagen y reducir la cantidad de datos innecesarios asociados con el enlace descendente. Crédito de la imagen: ESA y NASA/Solar Orbiter/equipo METIS; Dr.. Tiloni y otros (2023)

Una alineación cósmica y algunos ejercicios con naves espaciales han proporcionado una medición innovadora que ayuda a resolver el misterio cósmico de 65 años de antigüedad sobre por qué se está calentando la atmósfera del Sol.

La atmósfera del sol se llama corona. Consiste en un gas cargado eléctricamente conocido como plasma Su temperatura es de aproximadamente un millón de grados. Celsius.

Su temperatura es siempre un misterio porque la temperatura de la superficie del Sol es de sólo unos 6.000 grados Celsius. La corona debería ser más fría que la superficie porque la energía del Sol proviene del horno nuclear en su núcleo, y las cosas naturalmente se enfrían cuanto más se alejan de la fuente de calor. Sin embargo, la corona es más de 150 veces más caliente que la superficie.

Debe haber otra forma de transferir energía al plasma, pero ¿cuál?

Teorías y desafíos de la investigación.

Desde hace mucho tiempo se sospecha que las turbulencias en la atmósfera solar podrían provocar un calentamiento significativo del plasma en la corona. Pero cuando se trata de investigar este fenómeno, los físicos solares se enfrentan a un problema práctico: es imposible recopilar todos los datos que necesitan con una sola nave espacial.

Hay dos formas de explorar el Sol: teledetección y mediciones in situ. En la teledetección, la nave espacial se coloca a cierta distancia y se utilizan cámaras para observar el sol y su atmósfera en diferentes longitudes de onda. Para mediciones in situ, la nave espacial vuela a través del área que desea explorar y toma medidas de partículas y campos magnéticos en esa parte del espacio.

Ambos enfoques tienen sus ventajas. La teledetección muestra resultados a gran escala pero no detalles de los procesos que ocurren en el plasma. Mientras tanto, las mediciones in situ proporcionan información muy específica sobre procesos a pequeña escala en el plasma, pero no muestran cómo afecta esto a gran escala.

Investigación dual en naves espaciales.

Para tener una visión completa, se necesitan dos naves espaciales. Y eso es exactamente lo que los heliofísicos tienen actualmente en la forma de la nave espacial Solar Orbiter pilotada por la Agencia Espacial Europea y la sonda solar Parker de la NASA. Solar Orbiter está diseñado para acercarse lo más posible al Sol y aún realizar sensores remotos, así como mediciones in situ. La sonda solar Parker ignora en gran medida la teledetección del propio Sol para acercarse y realizar sus mediciones in situ.

Pero para aprovechar al máximo su enfoque complementario, la sonda solar Parker debe estar dentro del campo de visión de uno de los instrumentos del Solar Orbiter. De esta forma, Solar Orbiter pudo registrar in situ las consecuencias a gran escala de lo que estaba midiendo la Parker Solar Probe.

El Solar Orbiter de la ESA es una de las dos naves espaciales integradas que estudian el Sol a corta distancia: se suma a la sonda solar Parker de la NASA, que ya participó en su misión. Fuente: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Sonda solar Parker: NASA/Johns Hopkins APL

Coordinación astrofísica

Daniele Telloni, investigador del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en el Observatorio Astrofísico de Turín, forma parte del equipo detrás del instrumento Metis del Solar Orbiter. Metis es un coronógrafo que bloquea la luz de la superficie del Sol y toma fotografías de la corona. Es la herramienta perfecta para mediciones a gran escala, por lo que Daniele comenzó a buscar momentos en los que la sonda solar Parker se alinearía.

Se descubrió que el 1 de junio de 2022 las dos naves espaciales estarán en la configuración orbital correcta, aproximadamente. Esencialmente, el Solar Orbiter mirará al Sol, y la sonda solar Parker estará justo a un lado, dramáticamente cerca pero fuera del campo de visión del instrumento METS.

Cuando Daniele analizó el problema, se dio cuenta de que todo lo que se necesitaba para iluminar el Parker Solar Orbiter era un pequeño ejercicio con el Solar Orbiter: un giro de 45 grados y luego apuntarlo ligeramente en dirección opuesta al Sol.

Pero cuando cada maniobra de una misión espacial se planifica cuidadosamente con antelación, y cuando las propias naves espaciales están diseñadas para apuntar sólo en direcciones muy específicas, especialmente cuando se trata del aterrador calor del Sol, no era obvio que el equipo de operaciones de la nave espacial autorizara tal maniobra. . desviación. Sin embargo, una vez que todos tuvieron claro el potencial retorno científico, la decisión fue un claro “sí”.

La misión Solar Orbiter de la ESA se encontrará con el Sol desde dentro de la órbita de Mercurio en su máxima aproximación. Fuente: Medialab de la ESA/ATG

notas de hackeo

Se continuó con la dirección de balanceo y compensación; La sonda solar Parker entró en el campo de visión y, en conjunto, las naves espaciales produjeron las primeras mediciones simultáneas de la composición a gran escala de la corona solar y las propiedades microfísicas del plasma.

“Este trabajo es el resultado de las contribuciones de muchas personas”, afirma Daniele, que dirigió el análisis de los conjuntos de datos. Trabajando juntos, pudieron realizar la primera estimación conjunta observacional e in situ de la tasa de calentamiento coronal.

“Poder utilizar tanto el Solar Orbiter como la Parker Solar Probe ha abierto una dimensión completamente nueva en esta investigación”, afirma Gary Zank, de la Universidad de Alabama en Huntsville, EE.UU., y coautor del artículo resultante.

Al comparar la tasa recién medida con las predicciones teóricas hechas por los físicos solares a lo largo de los años, Daniel demostró que los físicos solares tenían más o menos razón en su identificación de la turbulencia como un medio de transferencia de energía.

Concepto artístico de la nave espacial Parker Solar Probe acercándose al Sol. Crédito de la imagen: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

La forma específica en que el trastorno hace esto no es diferente de lo que sucede cuando revuelves tu taza de café de la mañana. Al estimular movimientos aleatorios de un fluido, ya sea gaseoso o líquido, se transfiere energía a escalas cada vez más pequeñas, lo que culmina con la conversión de energía en calor. En el caso de la corona solar, el fluido también está magnetizado y, por tanto, la energía magnética almacenada también está disponible para convertirse en calor.

Esta transferencia de energía magnética y cinética de escalas mayores a menores es la esencia de la turbulencia. En las escalas más pequeñas, permite que las fluctuaciones interactúen finalmente con partículas individuales, en su mayoría protones, y las calienten.

Conclusiones y consecuencias

Se necesita mucho más trabajo antes de que podamos decir que el problema del calentamiento solar se ha resuelto, pero ahora, gracias al trabajo de Daniel, los físicos solares han podido realizar la primera medición de este proceso.

“Se trata de una primicia científica. Este trabajo representa un importante paso adelante para resolver el problema del calentamiento coronal”, afirma Daniel Müller, científico del proyecto.

Solar Orbiter es una misión espacial de cooperación internacional entre la ESA y la ESA NASAgestionado por la Agencia Espacial Europea.