Resuelto el misterio de las espículas del Sol

Desde hace más de un siglo se observan gigantescos chorros de plasma saliendo disparados de la superficie del Sol: las espículas. Ahora un equipo internacional de astrofísicos, liderado por un español, ha descubierto que se forman por las interacciones entre los campos magnéticos y el gas parcialmente ionizado de la atmósfera solar. Las observaciones de un telescopio de Canarias, otro de la NASA y avanzadas simulaciones por ordenador han permitido el hallazgo.

En el limbo o borde del Sol se observan multitud de espículas, que salen disparadas desde la superficie, según ha captado el satélite IRIS de la NASA  / NASA IRIS spectrograph

Las espículas son chorros de plasma de la atmósfera solar lanzados a velocidades de 100 km por segundo. Se producen miles de veces al día y hace más de un siglo que se conocen, pero hasta la fecha no se sabía cómo y por qué se forman.

La solución al misterio llega ahora de la mano de un equipo internacional de investigadores, liderados por el español Juan Martínez-Sykora, del Lockheed Martin’s Solar and Astrophysics Laboratory ((LMSAL, en California, EE UU).

“Básicamente, las espículas se producen por una cadena de eventos”, explica a Sinc Martínez-Sykora, que lo resume así: “Lo que detona el proceso es la ‘liberación’ de la tensión del campo magnético en la parte baja de la atmósfera solar (la cromosfera), una tensión que se genera en las proximidades de la superficie del Sol por los movimientos aleatorios de ebullición”.

“Después –continúa–, la presencia de partículas neutras (sin carga) facilitan que el campo magnético que contiene esa tensión atraviese la superficie solar. Además, la interacción entre partículas cargadas y neutras desempeña también otro papel fundamental, ya que ayuda a liberar la tensión como si de un latigazo se tratase”.

Simulaciones y observaciones con telescopios

Para descubrir este mecanismo de formación de las espículas, los investigadores utilizaron modelos numéricos muy avanzados, con los que generaron simulaciones que produjeron numerosos de estos chorros de plasma de forma espontánea.

Uno de sus hallazgos más notables es que los datos de las simulaciones coinciden con las observaciones de espículas reales captadas por el satélite espacial Interface Region Imaging Spectograph (IRIS) de la NASA y el Telescopio Solar Sueco del Observatorio del Roque de los Muchachos, situado en la isla canaria de La Palma.

“Las simulaciones contienen la física que creemos necesaria para explicar los fenómenos de la atmósfera solar –apunta Martínez-Sykora–. Es algo parecido a los modelos de predicción del tiempo, pero la gran diferencia es que la física (ecuaciones y matemáticas) que nosotros introducimos aquí es mucho más compleja. De hecho, los procesos que modelamos no se pueden reproducir en laboratorios de la Tierra, de ahí el interés que lleva combinar la observación y los modelos numéricos para entender el Sol”.

El modelo generado se basa en la dinámica del plasma, un gas muy caliente parcialmente ionizado y que fluye a lo largo de los campos magnéticos. Las versiones anteriores consideraban la parte baja de la atmosfera como un plasma uniforme o completamente cargado, pero sospechaban que algo faltaba ya que nunca detectaron espículas en las simulaciones.

La clave estaba en las partículas neutras

La solución, finalmente, la hallaron en las partículas neutras. Los científicos se inspiraron en la propia ionosfera de la Tierra, una región superior de la atmósfera donde las interacciones entre partículas neutras y cargadas son responsables de numerosos procesos dinámicos. En regiones más frías del Sol, como la región de transición, no todas las partículas de gas están eléctricamente cargadas. Algunas partículas siguen siendo neutras y no están sujetas a los campos magnéticos.

"Normalmente –apunta Martínez-Sykoraajo– los campos magnéticos están fuertemente asociados a partículas cargadas. Si solo considerábamos a estas últimas, esos campos se atascaban y no despegaban de la superficie. Pero cuando añadimos partículas neutras, los campos magnéticos podían moverse con mayor libertad”.

Las partículas neutras proporcionan la flotabilidad que los nudos magnéticos necesitan para atravesar el plasma hirviendo, y alcanzar la superficie. Allí, se rompen en espículas, liberando la tensión en forma plasma y energía. Las simulaciones del modelo coincidían estrechamente con las observaciones: las espículas se sucedían de forma natural y frecuente.

Imágenes de las espículas del Sol captadas con el espectrógrafo IRIS de la NASA (arriba), con el modelo numérico (centro) y desde el Telescopio Solar Sueco en La Palma (abajo). / NASA IRIS spectrograph, Bifrost code developed at the University of Oslo, and Swedish 1-m Solar Telescope at the Roque de los Muchachos (La Palma, Spain)

Con la unión de simulaciones y observaciones los investigadores lograron determinar las interacciones físicas entre los campos magnéticos y el plasma solar que acaban generando las espículas, un avance que también podría ayudar a los científicos a solucionar otro enigma: ¿Por qué las capas exteriores de la atmósfera del Sol están mucho más calientes (millones de grados centígrados, en la corona) que las interiores (unos cuantos miles de grados centígrados)?.

“Debido al gran número de espículas que se producen de forma continuada en el Sol, son un candidato a tener en cuenta para proporcionar calor y viento solar a las capas más exteriores de la atmósfera solar”, señala el astrofísico español, aunque adelanta: “Pero explicar si esto deposita energía en la corona conllevará combinar nuestros resultados con otras investigaciones futuras”.

Ondas de Álfvén y fuerza de Lorentz

En el calentamiento de la corona y la producción del viento solar también se cree que intervienen de alguna forma unas ondas magnéticas denominadas ondas de Alfvén, y este estudio también aporta un mecanismo que las puede generar. “En el caso de las ondas de sonido (como las olas del mar), la fuerza que las restaura es la presión, mientras que la que restaura las ondas de Alfvén es la llamada fuerza de Lorentz, que genera el propio campo magnético”, dice Martínez-Sykora .

“Ahora hemos visto que el mecanismo de formación de las ondas de Alfvén está fuertemente ligado con la creación de las espículas –añade–. Al liberarse la tensión magnética de la que hablamos se sacude el campo magnético de los alrededores produciendo estas ondas, que viajan a lo largo del campo magnético hacia la corona”.

Este año la Academia Nacional de Ciencias de EE UU ha concedido la Medalla Arctowski 2017 a Mats Carlsson y Viggo H. Hansteen, coautores de este estudio e investigadores de la Universidad de Oslo (Noruega), por liderar el equipo que ha desarrollado el código del modelo utilizado por Juan Martínez-Sykora en sus simulaciones.

Referencia bibliográfica:

J. Martínez-Sykora, B. De Pontieu, V. H. Hansteen, L. Rouppe van der Voort, M. Carlsson, T. M. D. Pereira. “On the generation of solar spicules and Alfvén waves”. Science, 22 de junio de 2017.

Fuente: SINC