El origen del campo magnético del Sol podría estar cerca de su superficie
Las manchas y erupciones solares podrían ser producto de un campo magnético poco profundo, según nuevos hallazgos sorprendentes que ayudarán a los científicos a predecir el clima espacial.
Por Jennifer Chu / MIT News
Hallazgos sorprendentes sugieren que las manchas y erupciones solares podrían ser generadas por un campo magnético dentro de las capas más externas del Sol. Si se confirman los hallazgos, estos podrían ayudar a los científicos a predecir mejor el clima espacial. Crédito: SDO / NASA
La superficie del Sol es un brillante despliegue de manchas y llamaradas solares impulsadas por el campo magnético solar, que se genera internamente mediante un modelo de dinamo. Los astrofísicos han supuesto que el campo solar se genera en el interior de la estrella. Pero un estudio del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, revela que la actividad del Sol puede estar determinada por un proceso mucho menos profundo.
En un artículo publicado en la revista Nature, investigadores del MIT, la Universidad de Edimburgo (Reino Unido) y otras instituciones descubren que el campo magnético del Sol podría surgir de inestabilidades en las capas más externas de la estrella.
El equipo de investigadores generó un modelo preciso de la superficie solar y descubrió que, cuando simulaban ciertas perturbaciones o cambios en el flujo de plasma (gas ionizado) dentro del 5% al 10% superior del sol, dichos cambios superficiales eran suficientes para generar patrones de campo magnético realistas, con características similares a las que los astrónomos han observado en el Sol. En cambio, sus simulaciones en capas más profundas produjeron una actividad solar menos realista.
Las manchas y las erupciones solares podrían ser producto de un campo magnético superficia.
Los hallazgos sugieren que las manchas y las erupciones solares podrían ser producto de un campo magnético superficial, en lugar de un campo que se origina en capas más profundas del Sol, como los científicos habían asumido en gran medida.
"Las características que vemos al observar el Sol, como la corona que muchas personas vieron durante el reciente eclipse solar, las manchas solares y las erupciones solares, están todas asociadas con el campo magnético del Sol— dice Keaton Burns, autor del estudio y científico investigador en el Departamento de Matemáticas del MIT. Y añade—: Mostramos que perturbaciones aisladas cerca de la superficie solar, lejos de las capas más profundas, pueden crecer con el tiempo y potencialmente producir las estructuras magnéticas que observamos".
Si el campo magnético del Sol de hecho surge de sus capas más externas, esto podría dar a los científicos una mejor oportunidad de pronosticar erupciones y tormentas geomagnéticas. Estas tienen el potencial de dañar satélites y sistemas de telecomunicaciones.
La dínamo actúa como un reloj gigante.
"Sabemos que la dínamo actúa como un reloj gigante con muchas partes complejas que interactúan— comenta el coautor Geoffrey Vasil, investigador de la Universidad de Edimburgo. Y continúa—: Pero no conocemos muchas de las piezas ni cómo encajan. Esta nueva idea de cómo comienza la dínamo solar es esencial para entenderlo y predecirlo."
Los coautores del estudio también incluyen a Daniel Lecoanet y Kyle Augustson, de la Universidad Northwestern; Jeffrey Oishi, del Bates College; Benjamin Brown y Keith Julien, de la Universidad de Colorado en Boulder; y Nicholas Brummell, de la Universidad de California en Santa Cruz.
El Sol es una bola de plasma caliente que hierve en su superficie. Esta región de ebullición se denomina zona de convección, donde capas y penachos de plasma se agitan y fluyen. La zona de convección comprende el tercio superior del radio solar y se extiende unos 200.000 kilómetros por debajo de la superficie.
“Una de las ideas básicas para poner en marcha una dinamo es que se necesita una región en la que haya mucho plasma moviéndose junto a otro plasma, y ese movimiento de cizallamiento convierte la energía cinética en energía magnética— explica Burns. Y añade—: La gente pensaba que el campo magnético del Sol se creaba por los movimientos en el fondo de la zona de convección”.
Para determinar con exactitud dónde se origina el campo magnético solar, otros científicos han utilizado grandes simulaciones 3D con el fin de intentar resolver el flujo de plasma a través de las numerosas capas del interior del Sol. “Esas simulaciones requieren millones de horas en instalaciones nacionales de supercomputación, pero lo que producen no es ni de lejos tan turbulento como el Sol real”, afirma Burns.
Esta ilustración muestra los campos magnéticos delSol sobre una imagen capturada por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA el 12 de marzo de 2016. Crédito: : NASA/SDO/AIA/LMSAL
En lugar de simular el complejo flujo de plasma en todo el cuerpo del Sol, Burns y sus colegas se preguntaron si el estudio de la estabilidad del flujo de plasma cerca de la superficie podría ser suficiente para explicar los orígenes del proceso de la dinamo.
Para explorar esta idea, el equipo utilizó primero datos del campo de la heliosismología, en el que los científicos utilizan las vibraciones observadas en la superficie solar para determinar la estructura media y el flujo del plasma bajo la superficie del Sol.
“Si se graba un vídeo de un tambor y se observa cómo vibra a cámara lenta, se puede calcular la forma y la rigidez del parche a partir de los modos de vibración— comenta Burns. Y añade—: Del mismo modo, podemos utilizar las vibraciones que vemos en la superficie solar para deducir la estructura media del interior”.
Una cebolla solar.
Para su nuevo estudio, los investigadores recopilaron modelos de la estructura del Sol a partir de observaciones heliosísmicas. “Estos flujos promedio se parecen un poco a una cebolla, con diferentes capas de plasma rotando entre sí— explica Burns. Y continúa—: Entonces nos preguntamos: ¿Existen perturbaciones —o pequeños cambios en el flujo de plasma— que podríamos superponer sobre esta estructura promedio, que puedan crecer y causar el campo magnético del Sol?”
Para buscar tales patrones, el equipo utilizó el proyecto Dedalus, un marco numérico que Burns desarrolló y que puede simular muchos tipos de flujos de fluidos con alta precisión. El código se ha aplicado a una amplia gama de problemas, desde modelar la dinámica dentro de células individuales hasta las circulaciones oceánicas y atmosféricas.
“Mis colaboradores han estado pensando en el problema del magnetismo solar durante años, y las capacidades de Dedalus han llegado ahora al punto en que podemos abordarlo,” dice Burns.
El equipo desarrolló algoritmos que incorporaron en Dedalus para encontrar cambios autorreforzantes en los flujos superficiales promedio del Sol. El algoritmo descubrió nuevos patrones que podrían crecer y resultar en actividad solar realista. En particular, el equipo encontró patrones que coinciden con las ubicaciones y escalas de tiempo de las manchas solares que han sido observadas por astrónomos desde Galileo, en 1612.
Mancha solar AR3085, detectada en noviembre de 2022. Cortesía: NASA
Las manchas solares son características transitorias de la superficie del Sol que se cree que están formadas por el campo magnético del Sol. Estas regiones relativamente frías aparecen como manchas oscuras en relación con el resto de la superficie blanca y caliente del Sol.
Los astrónomos llevan mucho tiempo observando que las manchas solares siguen un patrón cíclico, creciendo y retrocediendo cada once años, y generalmente gravitando alrededor del ecuador, en lugar de cerca de los polos.
En las simulaciones del equipo, descubrieron que ciertos cambios en el flujo de plasma, que ocurrían solo en el 5%-10% superior de las capas superficiales del Sol, bastaban para generar estructuras magnéticas en las mismas regiones. En cambio, los cambios en capas más profundas producen campos solares menos realistas que se concentran próximos a los polos, en lugar de cerca del ecuador.
Imagen tomada por el Hubble de un disco de acrecimiento rodeando el agujero negro del núcleo de la galaxia elíptica NGC 4261.
El equipo se sintió motivado para observar con más detalle los patrones de flujo cerca de la superficie, ya que las condiciones que se daban allí se asemejaban a los flujos de plasma inestables de sistemas totalmente distintos: los discos de acreción alrededor de los agujeros negros. Estos son discos masivos de gas y polvo estelar que giran hacia un agujero negro, impulsados por la inestabilidad magnetorreotatoria, que genera turbulencias en el flujo y provoca su caída hacia el interior.
Burns y sus colegas sospechaban que en el Sol se producía un fenómeno similar, y que la inestabilidad magnetorrotatoria de las capas más externas del Sol podría ser el primer paso para generar el campo magnético solar.
“Creo que este resultado puede ser controvertido— aventura Burns. Y añade—: “La mayor parte de la comunidad se ha centrado en encontrar la acción de la dinamo en las profundidades del Sol. Ahora estamos demostrando que hay un mecanismo diferente que parece coincidir mejor con las observaciones”.
Burns afirma que el equipo sigue estudiando si los nuevos patrones del campo superficial pueden generar manchas solares individuales y el ciclo solar completo de once años.
“Esto está lejos de ser la última palabra sobre el problema— dice Steven Balbus, profesor de Astronomía de la Universidad de Oxford, que no participó en el estudio. Y concluye—: Sin embargo, es una vía nueva y muy prometedora para estudios posteriores. Los hallazgos actuales son muy sugerentes y el enfoque es innovador, y no está en línea con la actual sabiduría recibida». Cuando la sabiduría recibida no ha sido muy fructífera durante un periodo prolongado, se indica algo más creativo, y eso es lo que ofrece este trabajo”.
