Los investigadores pueden haber encontrado las tan buscadas “nanoflares” que se cree que calientan la corona solar a sus increíbles temperaturas.
Un nuevo estudio publicado en Astronomía de la naturaleza marca la primera vez que los investigadores capturan el ciclo de vida completo de una supuesta nanoflare, desde los orígenes brillantes hasta la desaparición total.
Mini bengalas para un gran rompecabezas
Las nanoflares son pequeñas erupciones en el Sol, una mil millonésima parte del tamaño de las erupciones solares normales. Eugene Parker, de la fama Parker Solar Probe, los predijo por primera vez en 1972 para resolver un gran rompecabezas: el problema del calentamiento coronal.
Ese es el misterio de cómo la atmósfera exterior del Sol, o corona, se vuelve tan increíblemente caliente. A pesar de estar mucho más lejos del núcleo solar, es millones de grados más caliente que las capas debajo de él.
Casi 50 años después, el problema del calentamiento coronal aún no se ha resuelto. Ha sido difícil confirmar algunas teorías diferentes, en parte porque nadie ha visto nunca una nanoflare.
El problema del calentamiento de la corona es uno de los varios hechos sobre el Sol que derriten la mente. Crédito: NASA / Miles Hatfield / Mary Pat Hrybyk-Keith /
“Son extremadamente difíciles de observar”, dijo Shah Bahauddin, profesor de investigación del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado, Boulder, y autor principal del estudio.
Diminutos y breves, nuestros mejores telescopios solo recientemente se han vuelto lo suficientemente poderosos como para resolverlos. Y ver un pequeño destello no es suficiente, se necesita mucho para ser considerado un verdadero avistamiento de nanoflare. “Sabemos por teoría lo que debemos buscar: qué huella dactilar dejaría una nanoflare”, dijo Bahauddin.
Una nanoflare con cualquier otro nombre
Para decir que ha observado un nanoflare de calentamiento por corona, debe marcar al menos dos casillas principales.
Primero, como las bengalas regulares, una nanoflare se enciende por reconexión magnética. Si la erupción que está viendo es calentada por algún otro proceso, no es una nanoflare.
La reconexión magnética se activa cuando las líneas del campo magnético se realinean explosivamente. A diferencia de otros mecanismos que calientan las cosas gradualmente, puede tomar relativamente frío plasma y ponlo súper caliente en un instante.
“Es como juntar dos cubitos de hielo y de repente la temperatura sube a 1000 grados Fahrenheit”, Dijo Bahauddin.
Una forma de detectar el calentamiento a través de la reconexión magnética es observar un calor intenso en un entorno mucho más frío.
En segundo lugar, la nanoflare tiene que calentar la corona, que podría estar a miles de kilómetros por encima de donde estallan. Eso no es trivial: muchas otras erupciones solares solo calientan su entorno inmediato.
“Hay que examinar si la energía de una nanoflare puede disiparse en la corona”, dijo Bahauddin. “Si la energía va a otra parte, eso no resuelve el problema del calentamiento coronal”.
Un hallazgo contrario a la intuición se convierte en una pieza clave del rompecabezas
Cuando Bahauddin comenzó esta investigación como estudiante de doctorado, no estaba pensando en nanoflares en absoluto. En busca de un proyecto, decidió investigar algunos pequeños bucles brillantes (de aproximadamente 60 millas de diámetro, son pequeños en escalas solares) que había notado parpadeo en la capa justo debajo de la corona supercaliente.
“Pensé que tal vez los bucles hicieron que la atmósfera circundante fuera un poco más caliente”, dijo. “Nunca pensé que produciría tanta energía como para impulsar el plasma caliente a la corona y calentarlo”.
Un primer plano de una de las iluminaciones de bucle estudiadas en el artículo. Cada marco insertado se acerca a la región seleccionada en el marco a su izquierda. El cuadro de la extrema derecha es el más ampliado y muestra el posible nanoflare. Crédito: NASA / SDO / IRIS / Shah Bahauddin
Pero cuando Bahauddin amplió las imágenes tomadas por NASAEspectrógrafo de imágenes de la región de interfaz, o satélite IRIS, descubrió dos sorpresas.
Primero, estos bucles eran increíblemente calientes: millones de grados más calientes que su entorno.
Pero aún más extraño, este calor se distribuyó de una manera inusual, de manera diferente a la mayoría de los otros sistemas físicos.
Si bien el Sol está compuesto principalmente de hidrógeno y helio, también contiene cantidades más pequeñas de cualquier otro elemento. En estos bucles, de alguna manera los elementos más pesados, como el silicio, que tiene 14 protones en su núcleo, eran mucho más calientes y energéticos que los elementos más ligeros, como el oxígeno, que solo tiene ocho.
“Si empuja una pelota que es muy liviana por el piso, debería rodar más lejos que una pelota pesada”, dijo Bahauddin. “Sin embargo, en nuestro caso, los elementos más pesados se disparaban a unas 60 millas por segundo, mientras que los más ligeros estaban casi a cero. Eso fue completamente contradictorio “.
Esta extraña observación les dijo que algo muy específico debe estar sucediendo en estos bucles brillantes.
“Esa fue una gran pista”, dijo Amy Winebarger, física solar del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, y coautora del estudio. “Realmente tenías que empezar a pensar en qué tipo de calentamiento podría afectar el oxígeno átomo diferente al átomo de silicio “.
Bahauddin pasó los años siguientes ejecutando simulaciones por computadora, probando diferentes mecanismos de calentamiento. Necesitaba encontrar uno que pudiera coincidir con sus observaciones, incluido el calentamiento de los elementos más pesados más que los más ligeros.
Al final, solo un mecanismo de calentamiento pudo producir el efecto. El calor tuvo que provenir de un evento de reconexión magnética, la misma fuerza impulsora detrás de las erupciones solares.
La clave estuvo en las secuelas. A medida que las líneas del campo magnético se retuercen y se vuelven a alinear, crean una breve corriente eléctrica que acelera los iones recién liberados. Bahauddin lo compara con una multitud aterrorizada.
“Es como si todos en una habitación intentaran correr al mismo tiempo. Empiezan a chocar entre sí y hay un gran lío ”, dijo Bahauddin.
Fundamentalmente, cuanto más tiempo pueda seguir moviéndose un ion en un campo eléctrico, más energía gana. Aquí es donde los iones más pesados, como el silicio, tienen una ventaja. “Dado que tienen más impulso, pueden abrirse paso entre la multitud y robar toda la energía disponible”, dijo Bahauddin.
En otras palabras, los iones de silicio más masivos se abrieron paso a través del caos, absorbiendo la energía del campo eléctrico. Los iones de oxígeno más ligeros no podían hacer eso: se detuvieron en seco después de cada colisión.
Este mecanismo podría explicar sus resultados, pero aún así, era una posibilidad remota. Las simulaciones mostraron que este proceso solo sucedió en condiciones bastante específicas.
“Para que esto sucediera, se necesitaba una temperatura específica y la proporción adecuada de silicio a oxígeno”, dijo Bahauddin. “Así que volvimos a mirar las medidas y vimos que los números coincidían exactamente”. Sorprendentemente, las condiciones del Sol reflejaron sus simulaciones.
Calentando la corona
Hasta ahora, estos bucles brillantes parecían ser pequeñas llamaradas, pero ¿su calor realmente alcanzó la corona?
Bahauddin miró al Observatorio de Dinámica Solar de la NASA, que lleva telescopios sintonizados para ver el plasma extremadamente caliente que solo se encuentra en la corona. Bahauddin localizó las regiones justo encima de las iluminaciones poco después de que aparecieran.
“Y ahí estaba, sólo un retraso de 20 segundos”, dijo Bahauddin. “Vimos el brillo, y luego vimos de repente que la corona se sobrecalentaba a temperaturas de varios millones de grados”, dijo Bahauddin. “SDO nos dio esta información importante: sí, esto de hecho está aumentando la temperatura, transfiriendo energía a la corona”.
Bahauddin documentó 10 casos de bucles brillantes con efectos similares en la corona. Aún así, duda en llamarlos nanoflares. “Nadie lo sabe realmente porque nadie lo ha visto antes”, dijo Bahauddin. “Es una suposición fundamentada, digamos”.
Desde la perspectiva de la teoría que dice que las nanoflares calientan la corona, lo único que queda por hacer es demostrar que estos brillos ocurren con suficiente frecuencia, en todo el Sol, para explicar el calor extremo de la corona. Eso es todavía trabajo en progreso. Pero observar estas pequeñas explosiones a medida que calientan la atmósfera solar es un comienzo convincente.
“Hemos demostrado cómo una estructura fría y baja puede suministrar plasma supercaliente a la corona”, dijo Bahauddin. “Eso, para mí, fue lo más hermoso”.
Para obtener más información sobre esta investigación, lea Resolver un antiguo misterio sobre el sol: cómo la energía magnética almacenada calienta la atmósfera solar.
Referencia: “El origen de las iluminaciones transitorias mediadas por la reconexión en la región de transición solar” por Shah Mohammad Bahauddin, Stephen J. Bradshaw y Amy R. Winebarger, 7 de diciembre de 2020, Astronomía de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41550-020-01263-2
