Se desvela el misterio de las espículas solares

De forma constante, en la superficie solar están siendo eyectados alrededor de 10 millones de chorros o flujos de gas de hasta 500 Km de diámetro que salen hacia la atmósfera solar a velocidades de hasta 150 Km/s a enormes temperaturas y alcanzando distancias de más de 9.000 Km antes de colapsar en la superficie solar. Son las llamadas espículas solares. Estos jets de plasma se configuran en una especie de “césped” sobre la cromosfera solar, cuya formación y estructura los científicos no sabían explicar de forma precisa su mecanismo ni si influían en el calentamiento de las capas exteriores de la atmósfera del Sol o el viento solar.

Las espículas son estructuras propias de la cromosfera solar, capa de la atmósfera solar más próxima a la superficie del astro. Ahora, por primera vez, un equipo científico ha revelado su naturaleza combinando simulaciones e imágenes tomadas con el espectrógrafo IRIS de la NASA y el Telescopio Solar Sueco del Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). El estudio, liderado por el investigador del Lockheed Martin´s Solar and Astrophysics Laboratory (California, EEUU) y astrofísico por la Universidad de La Laguna (ULL) Juan Martínez-Sykora, ha sido publicado en la revista Science muestra cómo se podrían formar las espículas, proporcionando a los científicos una gran ayuda para comprender cómo emergen y se eyectan desde la superficie solar con la velocidad y energía que lo hacen.

Descubiertas en 1877 por Angelo Secchi, las espículas, son conductos de gas y plasma solar cargados de materiales subatómicos reaccionando entre sí a altísimas temperaturas. Estas grandes tuberías, por así decirlo, pueden ser de diversos tamaños, desde 500 hasta 9.000 kilómetros, pero todas tienen en común su corta duración (unos 5 minutos) y la rápida velocidad a las cuales viajan, que suelen ser mayores de 40.000 a 90.000 kilómetros por hora (25 km/s).

                                 

 

 

Algunas de estas espículas pueden alargarse lo suficiente como para llegar a conectar con la cromosfera en sí, en cuyo caso habría que comprobar si pueden tener incidencia en la  velocidad del viento solar, aunque fuera mínima. En cualquier caso, este es uno de esos eventos que no afecta en absoluto a nuestro planeta, pero conviene tener observada su evolución ya que nos da la información más actualizada posible de cómo están los niveles más profundos del Sol.

Las espículas aparecen cuando se produce una tensión magnética por las interacciones entre partículas que poseen diferente carga, ya sea entre partículas cargadas y partículas neutras, o entre cargas positivas y cargas negativas. Esta tensión es liberada a modo de impulsos hacia fuera de la superficie del sol calentando el plasma.
Se cree además que las espículas producen ondas Alfvénicas, denominadas así en honor al nobel de física Hannes Alfvén, y que son perturbaciones de la corona del sol que transportan energía electrodinámica hacia fuera debido a la existencia de campos magnéticos.

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Chorros disparados desde la superficie en el limbo solar, como se muestra en la imagen superior tomada con el espectrógrafo IRIS de la NASA. En el panel central, se muestra un modelo numérico capaz de simular estos chorros. En la imagen inferior tomada con el telescopio solar sueco de 1 m en el Roque de los Muchachos (La Palma, España), los chorros se observan en el centro del disco del Sol, se ven como estructuras de filamentos finos de corta duración con vistas a la posición azul desplazada En el espectro puesto que están viniendo hacia nosotros. Crédito: Espectrógrafo IRIS de la NASA, código Bifrost desarrollado en la Universidad de Oslo y telescopio solar de 1 m en el Roque de los Muchachos (La Palma).

«Es una cadena de eventos. Al final lo que detona la espícula es la ‘liberación’ de la tensión del campo magnético en la parte baja de la atmósfera solar, que se llama Cromosfera. Esta tensión se genera en las proximidades de la superficie del Sol por los movimientos aleatorios de ebullición. Y a continuación la presencia de partículas neutras facilitan que el campo magnético que contiene dicha tensión atraviese la superficie. La interacción entre partículas cargadas y neutras juega también un papel fundamental, ya que ayuda a liberar la tensión como si de un latigazo se tratase», explica Martínez-Sykora.

El recién publicado trabajo dependía de las observaciones de IRIS y del telescopio de la torre solar sueca en La Palma. Juntos, el satélite y el telescopio terrestre han permitido observar las capas más bajas de la atmósfera solar, la cromosfera y la región de transición (estrecha zona entre la cromosfera y la corona) donde se forman las espículas. Los resultados se publicaron en la revista Science el 22 de Junio de 2017, sirviendo para conmemorar el cuarto aniversario de la puesta en órbita de IRIS, el 26 de Junio de 2013.
El estudio, que tiene en cuenta los dos tipos de espículas que se producen en la superficie solar, las espículas de tipo I y II, ha logrado sin embargo explicar por primera vez cómo se producen las espículas de tipo II, un hecho que no se conocía.

 

 

«El modelo tiene también en cuenta a las espículas del tipo I. Su mecanismo es conocido, más estudiado y sencillo. Estas espículas se generan por ondas de choque que atraviesan la atmósfera a lo largo de campo magnético y no implican un mecanismo de calentamiento como el que ocurre en las del tipo II», ha concluido Martínez-Sykora.

“Los modelos numéricos y los datos observacionales han ido aparejados constantemente en esta investigación” según confirma Bart De Pontieu, uno de los autores del estudio y científico de IRIS. Según sus declaraciones: “Comparamos los datos observacionales con los modelos postulados para definir el nivel de detalle con que estos se llevan a cabo y corregir los modelos cuando se aprecian discrepancias importantes.”
La observación de las espículas ha sido un problema escabroso que los científicos trataban de desvelar para comprender cómo la materia y energía solares se desplazan por y desde el sol. Las espículas son estructuras efímeras, entre cuya formación y colapso no pasan de forma habitual más de 10 minutos. También hay que decir que estas estructuras presentan serias dificultades para poder ser estudiadas desde la Tierra, ya que la atmósfera del planeta a menudo desdibuja la visión de los telescopios.

Tras una década de trabajo del equipo científico en el desarrollo y puesta a punto de este particular modelo y tras muchas pruebas y reinicios en las mismas se ha generado una versión que permite ver cómo se “crean” las espículas. Las versiones iniciales del modelo se centraban en la región de transición, la baja atmósfera solar, considerándola como un plasma o gas caliente compuesto de partículas cargadas –lo que se conoce como plasma completamente ionizado. Pero los científicos sabían que se estaban perdiendo algo, ya que nunca se pudo ver las espículas en las simulaciones.

La clave, según los científicos, estaba en las partículas neutras. Tuvieron la inspiración a partir de lo que sucede en la ionosfera terrestre, una región en las capas superiores de la atmósfera de nuestro planeta en donde interaccionan las partículas neutras y las cargadas dando lugar a diversos procesos muy dinámicos como las auroras.

El equipo de investigadores ya conocía que en las regiones más frías del Sol, no todas las partículas presentes están eléctricamente cargadas. Algunas son neutras, y estas no están sometidas a los campos magnéticos como lo están las cargadas. Los científicos basaron los modelos previos en plasmas completamente cargados para poder simplificar el problema. De hecho, la inclusión de las partículas neutras suponía un incremento en los costes de programación muy importante y el modelo final llevó más de un año en poder ser desarrollado en el superordenador Pleiade situado en las instalaciones de la Nasa de Silicon Valley, que soporta cientos de proyectos científicos y de ingeniería para misiones de esta agencia.

 

El modelo inicialmente cuenta con un desarrollo básico de cómo se mueve el plasma en la atmósfera solar. La constante convección, o movimiento circulatorio del material por la temperatura (como el agua en una cazuela) genera islas de campos magnéticos enmarañados. Cuando la convección elevan dichas islas hacia la superficie solar e incluso las sumergen en las capas más bajas de la atmósfera solar (cromosfera y región de transición) las líneas de los campos magnéticos se rompen para liberar la tensión a que se ven sometidas, expeliendo el material (plasma) y gran cantidad de energía. A partir de dichos eventos violentos nacen las espículas. Pero intentar explicar cómo se elevan y rompen esos complejos magnéticos, era la parte más ardua e interesante.

“Normalmente los campos magnéticos están abarrotados de partículas cargadas” según indica Juan Martínez-Sykora, autor principal del estudio. “Sólo con partículas cargadas, el modelo presentaba unos campos magnéticos atascados que no podían elevarse por encima de la superficie solar. Cuando añadimos las partículas neutras, los campos magnéticos se podían mover con mayor libertad”.

Las partículas neutras proporcionan la flotabilidad que los retorcidos nudos de la energía magnética necesitan para poder elevarse sobre el plasma incandescente y bullente de la superficie solar y alcanzar la cromosfera. Allí, rompen en forma de espículas, liberando simultáneamente plasma y energía. La fricción entre iones y partículas neutras calienta el plasma aún más, tanto el que forma las espículas como el que las rodea.

Con el nuevo modelo, las simulaciones finalmente combinadas con las observaciones desde IRIS y la Torre Solar Sueca; permiten establecer que las espículas suceden de forma natural, habitual y muy frecuente. Los diez años de trabajo invertidos en el desarrollo de este modelo numérico permitió a los científicos conseguir la medalla Arctowski de la Academia Nacional de Ciencias en 2017. Martínez-Sykora lideró la extensión del modelo para la inclusión en el mismo de partículas neutras.

El modelo más actualizado presentado por los científicos, reveló algo más respecto de cómo se mueve la energía en la atmósfera solar. Se trata de la demostración de que este proceso casi repentino genera de forma natural ondas de Alfven, un tipo de ondas magnéticas muy intensas en las que los científicos sospechaban que podía residir la clave para el calentamiento de la atmósfera solar así como ser el propelente que impulsa el viento solar, que sabemos envuelve constantemente nuestro sistema solar y nuestro planeta con partículas cargadas procedentes del Sol.

“Este modelo responde muchas de las preguntas que nos hacíamos desde hace años”, según indica De Pontieu. “Incrementamos gradualmente la complejidad física de los modelos numéricos basados en observaciones de alta resolución, y realmente esto supone un éxito alcanzado desde IRIS y la Torre Solar Sueca”.
Las simulaciones muestran que las espículas podrían jugar un importante papel en la energización de la atmósfera solar, por forzar constantemente la salida de plasma y generar infinidad de ondas de Alfvén a lo largo de la superficie completa del Sol.

“Este es un avance sustancial en la compresión del proceso que permite energizar la atmósfera solar, y constituye la base para que la investigación futura permita determinar con el mayor nivel de detalle posible el verdadero peso que tiene el papel de las espículas en dicho proceso”, indica Adrian Daw, científico de IRIS. “Un resultado muy halagüeño en el aniversario de su lanzamiento”

                                 
Fuentes: Instituto de Astrofísica de Canarias – IAC    / NASA / GAME Fenómenos Solares

 

 

 

 

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