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CIENCIA. El viaje de la sonda solar Parker al Sol


En agosto de 2018, la sonda solar Parker de la NASA se lanzó al espacio, y pronto se convirtió en la nave espacial más cercana al Sol. Con instrumentos científicos de vanguardia para medir el entorno alrededor de la nave espacial, la sonda Parker ha completado tres de los 24 pases planificados a través de partes nunca antes exploradas de la atmósfera del Sol (la corona). 


El 4 de diciembre de 2019, cuatro nuevos artículos en la revista Nature describen lo que los científicos han aprendido de esta exploración sin precedentes de nuestra estrella, y lo que esperan aprender a continuación.

Los recientes hallazgos revelan nueva información sobre el comportamiento del material y las partículas que se alejan del Sol, lo que acerca a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre la física de nuestra estrella. En la búsqueda para proteger a los astronautas y la tecnología en el espacio, la información que Parker ha proporcionado sobre cómo el Sol expulsa constantemente material y energía ayudará a los científicos a reescribir los modelos que usamos para comprender y predecir el clima espacial alrededor de nuestro planeta y comprender el proceso mediante el cual las estrellas se crean y evolucionan.

Aunque nos parezca plácido aquí en la Tierra, el Sol es todo menos un astro tranquilo. Nuestra estrella es magnéticamente activa, que desencadena poderosas ráfagas de luz, inundaciones de partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz y nubes de material magnetizado de miles de millones de toneladas. Toda esta actividad afecta a nuestro planeta, inyectando partículas dañinas en el espacio exterior donde orbitan satélites y astronautas, interrumpiendo las comunicaciones y las señales de navegación e incluso, cuando es intenso, provocando cortes de energía. Ha estado sucediendo durante toda la vida del Sol (5 mil millones de años), y continuará dando forma a los destinos de la Tierra y los otros planetas de nuestro sistema solar en el futuro.

Lo que sucede en el Sol es fundamental para comprender cómo da forma al espacio que nos rodea. La mayor parte del material que escapa del Sol es viento solar, un flujo continuo de material solar que baña todo el sistema solar. Este gas ionizado, llamado plasma, lleva consigo el campo magnético del Sol, extendiéndolo a través del sistema solar en una burbuja gigante que se extiende por más de 10 mil millones de millas.


La sonda solar Parker realizará 21 vuelos (orbitará) alrededor del Sol durante los próximos 6 años. Fuente: Johns Hopkins APL

DINÁMICA DEL VIENTO SOLAR
Observado cerca de la Tierra, el viento solar es un flujo de plasma relativamente uniforme, con ocasionales caídas turbulentas. Pero para alcanzar ese punto ya ha recorrido más de noventa millones de millas, y las huellas de los mecanismos exactos del Sol para calentar y acelerar el viento solar han desaparecido. Más cerca de la fuente del viento solar, la sonda solar Parker proporcionó una imagen muy diferente: un sistema dinámico complejo y activo. El viento solar es mucho más impulsivo e inestable de lo que vemos cerca de la Tierra.

Al igual que el propio Sol, el viento solar está formado por plasma, donde los electrones cargados negativamente se han separado de los iones cargados positivamente, creando un mar de partículas que flotan libremente con carga eléctrica individual. Estas partículas que flotan libremente nos dicen que el plasma transporta campos eléctricos y magnéticos, y que los cambios en el plasma, a menudo, dejan marcas en tales campos. Los instrumentos de la sonda Parker inspeccionaron el estado del viento solar midiendo y analizando cuidadosamente cómo los campos eléctricos y magnéticos alrededor de la nave espacial cambiaban con el tiempo, junto con la medición de ondas en el plasma más próximo.


Los rayos X salen del sol en esta imagen que muestra las observaciones de la matriz de telescopios espectroscópicos de la NASA, superpuestos en una imagen tomada por el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) de la NASA. Fuente: NASA
Estas mediciones mostraron reversiones rápidas en el campo magnético, chorros de material repentinos y de movimiento más rápido. Todas características que hacen que el viento solar sea más turbulento. Estos detalles son clave para comprender cómo el viento dispersa la energía a medida que fluye lejos del Sol y por todo el sistema solar.

Un tipo de evento, en particular, atrajo la atención de los equipos científicos: reversiones en la dirección del campo magnético, que fluye desde el Sol, incrustados en el viento solar. Estas reversiones, denominadas "conmutaciones", duran desde unos pocos segundos hasta varios minutos a medida que fluyen hacia la sonda solar Parker. Durante una conmutación, el campo magnético se gira sobre sí mismo hasta apuntar casi directamente hacia el Sol. 

Se han visto ondas en el viento solar desde el comienzo de la era espacial, y asumimos que más cerca del Sol tales ondas serían más intensas, pero no se esperaba verlas organizarse en picos estructurados de velocidad coherente. Se están detectando restos de estructuras del Sol que son arrojadas al espacio y cambiando violentamente la organización de los flujos y del campo magnético. Esto cambiará drásticamente las actuales teorías sobre cómo se calientan la corona y el viento solar.


Esta imagen del sol capturada por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA en 2016, muestra un área oscura gigante en la mitad superior de la estrella, conocida como un agujero coronal. La exploración de la sonda solar Parker persigue desvelar este y otros secretos sobre la dinámica de nuestro Sol
Entre las muchas partículas que fluyen desde el Sol hay un haz constante de electrones que se mueven rápidamente, y que circulan a lo largo de las líneas del campo magnético del Sol hacia el sistema solar. Estos electrones siempre fluyen estrictamente a lo largo de las líneas de campo que se alejan del Sol, independientemente de si el polo norte del campo magnético en esa región en particular apunta hacia o lejos del Sol. Pero la sonda solar Parker midió este flujo de electrones que van en la dirección opuesta, girando hacia el Sol, lo que demuestra que el campo magnético en sí mismo debe doblarse hacia el Sol. Esto sugiere que los cambios en el campo magnético son perturbaciones localizadas que se alejan del Sol, en lugar de un cambio en el campo magnético a medida que tales perturbaciones emergen del Sol.


Estas observaciones sugieren que estos eventos se volverán aún más comunes a medida que la sonda espacial se acerque al Sol. El próximo encuentro solar de la misión el 29 de enero de 2020 llevará la nave espacial más cerca del Sol que nunca antes, y puede arrojar nueva luz sobre este proceso. Dicha información no solo ayudará a cambiar nuestra comprensión de las causas del viento solar y el clima espacial que nos rodea, sino que también nos ayudará a comprender un proceso fundamental sobre cómo funcionan las estrellas y cómo liberan energía en su entorno.

UN VIENTO SOLAR GIRATORIO
Algunas de las mediciones de la sonda solar Parker están acercando a los científicos a las respuestas a preguntas de hace décadas. Una de esas preguntas es acerca de cómo, exactamente, el viento solar fluye desde el Sol.

Cerca de la Tierra, vemos que el viento solar fluye casi radialmente, lo que significa que fluye directamente desde el Sol en todas las direcciones. Pero el Sol gira al tiempo que libera el viento solar. Esto es semejante a viajar en el carrusel de un parque infantil: la atmósfera gira con el Sol al igual que la parte exterior del carrusel, pero cuanto más te alejas del centro, más rápido te mueves en el espacio. Un niño en el borde del carrusel podría saltar y, en ese punto, moverse en línea recta hacia afuera, en lugar de continuar girando. De manera similar, hay un punto entre el Sol y la Tierra, donde el viento solar pasa de girar junto con el Sol a fluir directamente hacia afuera, o radialmente, tal como lo observamos desde la Tierra.



Exactamente donde el viento solar pasa de un flujo rotacional a un flujo perfectamente radial tiene implicaciones sobre cómo el Sol arroja energía. Encontrar ese punto puede ayudarnos a comprender mejor el ciclo de vida de otras estrellas o la formación de discos proto-planetarios, los densos discos de gas y polvo alrededor de estrellas jóvenes que eventualmente se unen formando planetas.

Ahora, por primera vez, en lugar de solo ver ese flujo directo que vemos cerca de la Tierra, la sonda Parker pudo observar el viento solar mientras todavía estaba girando alrededor del Sol. Es como si  tuviera una vista del carrusel giratorio directamente por primera vez, no solo de los niños que saltan de él. El instrumento que detectó la rotación estaba a más de 20 millones de millas del Sol, y cuando Parker se acercó a su punto de perihelio, la velocidad de la rotación aumentó. La fuerza de la circulación fue más fuerte de lo que muchos científicos habían predicho, pero también hizo una transición más rápida de lo previsto a un flujo hacia el exterior, que es lo que ayuda a enmascarar estos efectos desde donde habitualmente nos sentamos, a unos 93 millones de millas del Sol.

El gran flujo rotacional del viento solar visto durante los primeros encuentros ha sido una verdadera sorpresa. Mientras se esperaba observar un movimiento rotacional más próximo al Sol, las altas velocidades que se están viendo en estos primeros encuentros son casi diez veces superiores a lo predicho por los modelos estándar.


La sonda solar Parker vio cómo el polvo cósmico (ilustrado aquí), disperso por todo nuestro sistema solar, comienza a diluirse cerca del Sol, apoyando la teoría sobre la existencia de una zona libre de polvo cerca del Sol. Fuente: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger
POLVO CERCA DEL SOL
Nuestro sistema solar está inundado de polvo: las migajas cósmicas de colisiones que formaron planetas, asteroides, cometas y otros cuerpos celestes hace miles de millones de años. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que, cerca del Sol, este polvo se calentaría a altas temperaturas, convirtiéndolo en un gas y creando una región libre de polvo alrededor del Sol. Pero nadie lo había observado nunca.

Por primera vez, las imágenes de la sonda solar Parker vieron que el polvo cósmico comenzaba a diluirse. Estas imágenes muestran que el polvo comienza a diluirse a poco más de 7 millones de millas del Sol, y esta disminución en el polvo continúa constantemente hasta los límites de las actuales mediciones, a poco más de 4 millones de millas del Sol. Esta zona libre de polvo se predijo hace décadas, pero nunca se había podido confirmar antes.

Los científicos esperan observar una zona verdaderamente libre de polvo que comience a poco más de 2-3 millones de millas del Sol, lo que significa que la sonda solar Parker podría detectar la zona libre de polvo a lo largo del 2020, cuando su sexto vuelo orbital alrededor del Sol la lleve más cerca que nunca de nuestra estrella.


Los instrumentos de la sonda Parker capturaron la primera imagen del rastro de polvo en la órbita del asteroide Phaethon. Este rastro de polvo provoca la lluvia de meteoritos de las Gemínidas, visible cada diciembre. Fuente: Brendan Gallagher / Karl Battams / NRL

CLIMATOLOGÍA ESPACIAL
Las mediciones de la sonda solar Parker nos han dado una nueva perspectiva sobre dos tipos de eventos climáticos espaciales: las tormentas de partículas energéticas y eyecciones de masa coronal.

Partículas diminutas, tanto electrones como iones, son aceleradas por la actividad solar, creando tormentas de partículas energéticas. Ciertos eventos en el Sol pueden proyectar estas partículas hacia el sistema solar a casi la velocidad de la luz, lo que significa que llegan a la Tierra en menos de media hora y pueden impactar en otros mundos en escalas de tiempo igualmente cortas. Estas partículas transportan mucha energía, por lo que pueden dañar la electrónica de las naves espaciales e incluso poner en peligro a los astronautas, especialmente aquellos en órbita o en el espacio profundo. Fuera de la protección del campo magnético de la Tierra, y el corto tiempo de advertencia, hace que sea difícil evitarlas.

Comprender exactamente cómo se aceleran estas partículas a velocidades tan altas es crucial. Pero a pesar de que llegan a la Tierra en tan solo unos minutos, todavía es tiempo suficiente para que estas partículas pierdan las huellas de los procesos que las dieron lugar. Al girar alrededor del Sol a solo unos pocos millones de millas de distancia, la sonda Parker puede medir estas partículas justo después de haber sido liberadas desde el Sol, arrojando nueva luz sobre cómo es tal proceso.

Datos proporcionados por los instrumentos de la sonda revelan detalles sin precedentes sobre estructuras en la corona y el viento solar, incluidas expulsiones de masa coronal, nubes de material solar de miles de millones de toneladas que el Sol envía a toda velocidad hacia el sistema solar. Estas radiaciones pueden desencadenar una variedad de efectos adversos sobre la Tierra y otros mundos, desde el encendido de auroras hasta la inducción de corrientes eléctricas que pueden dañar redes eléctricas y tuberías. 

Nuestra mejor opción para comprender las propiedades magnéticas de cualquier eyección de masa coronaria,se basa en identificar la región del Sol desde la cual se produjo la eyección, lo que significa que la detección de un tipo de erupción discreta plantea un desafío único para los pronosticadores del clima espacial. Estas erupciones discretas solo son visibles en los coronógrafos, instrumentos orientados hacia la atmósfera exterior del Sol, pero no dejan firmas claras de su erupción en imágenes del disco solar, lo que hace difícil determinar desde dónde, exactamente, despegaron.


Esta ha sido la primera vez que se han podido introducir instrumentos dentro de una de estas eyecciones de masa coronal cerca del Sol. Los instrumentos de la misión miden características como la velocidad, la temperatura y densidades de electrones y protones del viento solar. Estas mediciones ayudan a los científicos a aprender a rastrear las eyecciones de masa coronaria hasta sus orígenes en la superficie solar.




Durante el primer encuentro de la sonda solar Parker con el Sol en el otoño de 2018, se conectó magnéticamente con un pequeño agujero coronal ecuatorial de polaridad negativa. Este esquema muestra una posible extrapolación de campo del campo magnético solar en el momento del primer paso de perihelio de la sonda. La superficie solar está coloreada para mostrar una emisión ultravioleta extrema. Los agujeros coronales aparecen con un tono más claro. Se superponen varias líneas de campo inicializadas en el disco solar. Las líneas negras indican bucles cerrados; las líneas azules y rojas ilustran líneas de campo abierto con polaridades negativas y positivas, respectivamente. Las curvas o chorros observados por la sonda se ilustran como pliegues en las líneas de campo abierto que emergen de este agujero coronal y se conectan a la sonda Parker (PSP). Fuente: Gráfico de UC Berkeley; imagen de nave espacial cortesía de NASA / Johns Hopkins APL.


Fuentes: 
- NASA Goddard Space Flight Center. Johns Hopkins APL.
-  Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1818-7 , https://nature.com/articles/s41586-019-1818-7
- Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1813-z , https://nature.com/articles/s41586-019-1813-z
- Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1811-1 , https://nature.com/articles/s41586-019-1811-1
- Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1807-x , https://nature.com/articles/s41586-019-1807-x
- Revealing the physics of the Sun with Parker Solar Probe. https://phys.org/news/2019-12-revealing-physics-sun-parker-solar.html

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