Investigación en Astronomía

¿Cómo funcionan el campo magnético del Sol?

El magnetismo explica gran parte de los fenómenos que se originan en el Sol y que pueden afectar a la vida en la Tierra, tanto a las telecomunicaciones como a los vuelos.

A diario nos llega energía de nuestra estrella que permite, entre otras cosas, que exista vida en la Tierra. Desde la antigüedad, la humanidad se pregunta por la naturaleza del Sol: existen registros del año 1300 a.C. sobre el seguimiento de eclipses solares en Mesopotamia, y ya en el 104 a.C. los astrónomos chinos estimaron que la duración del año debía ser de 365 días con el fin de establecer su calendario lunisolar.

Sin embargo, hasta hace relativamente poco no éramos capaces de entender la complejidad de nuestra estrella, y todavía desconocemos cómo se producen muchos de los fenómenos que tienen lugar en su interior. El Sol es la razón última de nuestra existencia, pero es mucho más que nuestra fuente de energía. Para José Carlos del Toro y Luis Bellot, investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Sol es y ha sido un objeto de fascinación y estudio a partes iguales.

Un gigantesco reactor nuclear

Cada segundo, el núcleo del Sol convierte cuatro millones de toneladas de hidrógeno en energía que inicia un épico y larguísimo viaje hasta su superficie. Tras producirse en el núcleo, los fotones deben atravesar las diferentes capas del Sol, con temperaturas y densidades muy variadas. Solo en traspasar la zona radiativa, que se sitúa justo encima del núcleo, los fotones pueden tardar alrededor de 170.000 años.

Anatomía del Sol. /  Solar Orbiter

Esto se debe a que, en esta capa, el plasma (gas cargado eléctricamente o gas ionizado) se encuentra tan condensado que los fotones -que en condiciones de “vacío” viajarían a la velocidad de la luz- son continuamente absorbidos y remitidos en direcciones aleatorias. De modo que a un fotón le puede tomar mucho tiempo atravesar esta capa.

Y el viaje no acaba ahí: todavía debe recorrer la zona convectiva, la fotosfera, la cromosfera y la corona para finalmente salir disparado y llegar a la Tierra en unos generosos ocho minutos. Así, desde el polvo, estudiamos el fuego y seguimos el baile de su luz.

Lo que nos llega de la luz

Gracias a los fotones que recibimos del Sol conocemos muchas características de nuestra estrella, como su temperatura y su composición química. Pero el Solo produce energía que va mucho más allá de lo que nuestro ojo es capaz de ver. Además de la luz visible, la luz solar está compuesta en un 7% por radiación ultravioleta y en un 46% por radiación infrarroja.

Eyecciones de masa coronal. / ESA

Utilizando diferentes instrumentos diseñados para centrarse en cada rango del espectro electromagnético, los equipos de investigación pueden estudiar la, en ocasiones, frenética actividad del Sol: desde las manchas solares -estructuras que van cambiando con el tiempo hasta desaparecer y que se perciben como parches mucho menos brillantes que la fotosfera- hasta las eyecciones de masa coronal: erupciones de millones de toneladas de plasma que salen disparadas del Sol a cientos o miles de kilómetros por segundo y que pueden ocasionar tormentas geomagnéticas en la Tierra, si están orientadas hacia nuestro planeta.

Las granulaciones, las protuberancias, las fulguraciones… todos estos fenómenos que se producen en la estrella se deben a su campo magnético, de ahí que su estudio haya cobrado gran importancia en los últimos años. No solo para conocer mejor la naturaleza del Sol, también para protegernos y saber cuándo debemos hacerlo.

Vivir en una estrella

Vivir dentro del Sol podría parecer un escenario digno de película de ciencia ficción, pero lo cierto es que nosotros vivimos, en efecto, dentro de nuestra estrella. Tanto la Tierra como todo el Sistema Solar se encuentra inmerso en la heliosfera, una región del espacio que se ve influenciada por el viento solar y su campo magnético.

Luis Bellot, investigador del Departamento de Física Solar del IAA-CSIC, define el viento solar como “un flujo continuo de partículas cargadas, de iones, que salen de la superficie del Sol y se expanden por todo el Sistema Solar”. Existen dos tipos de viento solar: rápido y lento. “No sabemos cómo se produce el viento solar, pero sí que el viento rápido se produce en las zonas donde el campo magnético de la estrella es abierto. Como las líneas del campo magnético están abiertas, las partículas pueden salir y fluir desde la superficie fácilmente a lo largo de estas. Por el contrario, el viento solar lento ocurre en aquellas zonas donde las líneas de campo son cerradas; lo cual dificulta el movimiento de las partículas, haciendo que escapen a una velocidad menor”, concluye Bellot.

El viento solar no constituye de por sí ningún problema para la Tierra, ya que su campo magnético desvía estas partículas hacia los polos del planeta, creando las hermosísimas auroras boreales y australes de regalo. “Sin embargo -comenta José Carlos del Toro, investigador del mismo departamento-, de forma episódica se producen conversiones de energía brutales, que producen por un lado fulguraciones muy notables que pueden llegar a emitir incluso en rayos X y, por otro, energía cinética, de movimiento, que acelera las partículas del viento solar hasta que acaban siendo expelidas a velocidades cercanas a la mitad de la velocidad de la luz”.

Cuando estas partículas cargadas eléctricamente, aceleradas y altamente energéticas alcanzan el escudo geomagnético de la Tierra y son capaces de atravesarlo, impactan en la ionosfera y alteran el estado físico de esta capa, afectando a las telecomunicaciones, a los vuelos en avión o incluso a los habitantes de la Estación Espacial Internacional (ISS), quienes de hecho tienen una suerte de habitación del pánico a su disposición para protegerse de estos eventos radiactivos.

Las auroras boreales y australes son el resultado del viento solar chocando con el escudo geomagnético de la Tierra. (NASA)

Para poder entender mejor qué mecanismo produce estas brutales conversiones de energía es vital comprender cómo funciona el campo magnético de nuestra estrella. El Sol es una enorme dinamo que cada once años invierte sus polos; esta transición es lo que conocemos como ciclo solar. Dependiendo del momento del ciclo en que se encuentra la estrella su actividad es muy diferente; así, el mínimo solar se caracteriza por una disminución de la actividad, con menor aparición de manchas solares y de fulguraciones… mientras que en el máximo solar se producen numerosas tormentas solares de distinta intensidad. Pese a ello, todavía no sabemos cuándo se van a producir con exactitud estas tormentas.

Para José Carlos del Toro es imprescindible seguir estudiando estos fenómenos con el fin de poder hacer predicciones fiables. “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 que típicamente se sirven de los satélites de comunicaciones para casi todo”, indica. “Ver la televisión, googlear en internet, navegar tanto por barco como por avión o en nuestros propios vehículos… toda nuestra vida es, cada vez, más dependiente de la tecnología y de nuestro entorno espacial. Este entorno es vulnerable a los fenómenos que se originan en el Sol, por ello es crucial estudiarlos para poder anticiparnos a ellos”.

Al Sol del Sur

En Granada se cuentan más de 3.000 horas de Sol al año. Además de una buena noticia para los turistas, esta luz es esencial para los investigadores del departamento de Física Solar del IAA-CSIC. Luis Bellot y José Carlos del Toro llevan años estudiando el campo magnético del Sol. Las nuevas misiones como Solar Orbiter (ESA y NASA), ya activa, y el EST (European Solar Telescope), que comenzará a construirse en 2023, nos ayudarán a comprender mejor de qué manera se produce el magnetismo del Sol y cómo este genera los distintos fenómenos que tienen lugar dentro de la estrella y en la región de la heliosfera.

El Sol, visto en diferentes longitudes de onda por la nave Solar Dynamics Observatory. / NASA

Los proyectos Solar Orbiter y EST cuentan con la participación del IAA-CSIC y suponen un paso de gigante tecnológico. Solar Orbiter estudiará el Sol desde una órbita más cercana que la de Mercurio. Además, lo hará con una inclinación que le permitirá estudiar los polos de la estrella, los cuales juegan un papel muy importante en el magnetismo y en los cambios de ciclo.

La nave cuenta con diez instrumentos tanto de medición remota como in situ. Con ellos, podrá analizar las partículas de viento solar, fotografiar el Sol desde una distancia privilegiada y hacer espectropolarimetría, una técnica necesaria para poder entender los campos magnéticos que subyacen a estructuras como las manchas solares, las granulaciones o las protuberancias.

Instrumentos de sondeo y un código

Las contribuciones de la ciencia española en esta misión no son triviales; el IAA ha diseñado uno de los instrumentos de sondeo remoto, PHI (Poliarimetric and Heliosismic Imager), además del desarrollo de un código (llamado de inversión de la ecuación de transporte radiativo) cuya finalidad es traducir las medidas de la luz que tome el instrumento en parámetros físicos del Sol, como el campo magnético y la velocidad de rotación de la estrella.

Lo novedoso de este código es que permite que los datos en bruto se interpreten a bordo de la nave, sin intervención humana. Solar Orbiter realiza desde el espacio y de forma autónoma el trabajo que en otras misiones se lleva a cabo con ordenadores en Tierra. María Balaguer, ingeniera eléctrica de la Unidad de Desarrollo Instrumental y Tecnológico (UDIT) del IAA, ha vivido todo el proceso de desarrollo de Solar Orbiter.

Sobre el código elaborado para la misión, María destaca: “El código fue un reto tecnológico muy grande. Ha sido el primero que se ha hecho de ese tipo en el IAA, y es la primera vez que un dispositivo electrónico es capaz de hacer cálculos complicados a bordo… no quedaba otra, porque no se podía mandar tanta información desde tan lejos. Además de ser todo un reto, considero que es la parte más importante del instrumento, porque al final es la novedad que aporta la misión a nivel tecnológico”.

En cuanto al instrumento de sondeo remoto PHI, José Carlos del Toro resume: “El objetivo principal de la misión de Solar Orbiter es comprender cómo el Sol genera y controla la heliosfera. Esta gran pregunta se desglosa en otras cuatro más específicas, relacionadas con la actividad magnética del Sol. Para tres de estas preguntas la labor de Solar Orbiter/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”, detalla.

“Además, Solar Orbiter/PHI es el único instrumento que va a ser capaz de sondear el interior del Sol haciendo mapas de velocidad del movimiento de esta fotosfera”. Aunque todavía no ha iniciado la fase científica, Solar Orbiter ya ha publicado sus primeros resultados, como el primer campo magnético del Sol obtenido desde el espacio de manera autónoma. Se espera que la misión obtenga información trascendental sobre la naturaleza del Sol en los próximos años.

El Telescopio Solar Europeo

El Telescopio Solar Europeo (EST, por sus sigas en inglés) será el instrumento de referencia para observar el Sol desde Tierra una vez se construya en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en la isla de La Palma. Su espejo primario tendrá un diámetro de 4,2 metros y contará con un sistema de óptica adaptativa multiconjugada, tecnología necesaria para minimizar el emborronamiento que las turbulencias de la atmósfera terrestre generan en las imágenes del telescopio.

El objetivo de EST es estudiar el comportamiento de la fotosfera, la cromosfera y la corona para entender cómo se producen fenómenos como las manchas solares o las fulguraciones con una resolución sin precedentes. Gracias a su gran diámetro, el telescopio podrá distinguir estructuras en el Sol de tan solo 30 km, diminutas parcelas teniendo en cuenta que el radio de nuestra estrella es de 696.340 kilómetros.

Sin embargo, el objetivo del telescopio va mucho más allá. Luis Bellot, investigador que lidera la participación del IAA-CSIC en el EST, comenta: “Con este telescopio vamos a estudiar el acoplamiento magnético de las distintas capas de la atmósfera solar. Significa que tenemos que medir el campo magnético en todas estas capas, y tenemos que hacerlo no solamente en las estructuras magnéticas más intensas, como son las manchas, o en las regiones más activas, como los polos”.

“También vamos a estudiar los campos magnéticos más débiles y nos centraremos en capas menos superficiales del Sol, como la cromosfera, que juega un papel muy importante como interfaz hacia la corona”, añade el investigador. “Es esencial entender cómo funciona esa región de transición para entender cómo funciona la corona solar, y en la cromosfera los campos magnéticos son muchísimo más pequeños, con lo cual medirlos es todavía más difícil. Ahora mismo no somos capaces, con los instrumentos y telescopios que tenemos, de medir el campo magnético cromosférico de forma sistemática, y esto es lo que vamos a hacer con el Telescopio Solar Europeo”.

Uno de los grandes enigmas que tratarán de responder estas dos misiones es por qué la corona solar, tan alejada del núcleo de la estrella, está mucho más caliente que la cromosfera y la fotosfera. En la corona, el plasma se encuentra a más de un millón de grados Celsius, mientras que en la cromosfera la temperatura varía desde los 4.000 hasta los 25.000 ºC. Aunque haya motivos de peso para pensar que el campo magnético está detrás de este fenómeno, quedan todavía incógnitas en torno al Sol. Seguimos buscando respuestas. Siempre buscando, porque eso es lo que hacemos.

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