Dos naves espaciales han proporcionado una medición innovadora que ayuda a resolver un misterio cósmico de 65 años: por qué la atmósfera del Sol es tan caliente. La atmósfera del sol se llama corona. Está formado por un gas cargado eléctricamente llamado plasma, con una temperatura de aproximadamente un millón de grados centígrados. Su temperatura es un eterno misterio, ya que la temperatura de la superficie del Sol es de sólo unos 6.000 grados centígrados. La corona debería ser más fría que la superficie porque la energía del sol proviene del horno nuclear en su núcleo, y cuanto más lejos estás de la fuente de calor, más fría se vuelve naturalmente.Sin embargo, la temperatura de la corona es más de 150 veces mayor que la de la superficie. Debe haber otro método para transferir energía al plasma en el trabajo, ¿cuál es?

En esta imagen capturada por el instrumento Metis del Solar Orbiter, se puede ver la atmósfera exterior del Sol, conocida como corona, extendiéndose hacia el espacio. Metis es un dispositivo de múltiples longitudes de onda que funciona tanto en longitudes de onda visibles como ultravioletas. Es un coronógrafo, lo que significa que bloquea la luz solar brillante de la superficie del Sol, haciendo visible la luz más tenue dispersada por las partículas en la corona. En esta imagen, el disco rojo borroso representa el coronógrafo, mientras que el disco blanco es una máscara utilizada para comprimir el tamaño de la imagen y reducir la cantidad de datos de enlace descendente innecesarios. Crédito de la imagen: ESA y NASA/Solar Orbiter/Metis Group; D. Telloni et al. (2023)

Retos teóricos e investigativos

Durante mucho tiempo se ha sospechado que la turbulencia en la atmósfera solar causa un calentamiento sustancial del plasma en la corona. Pero al estudiar este fenómeno, los físicos solares se toparon con un problema práctico: era imposible recopilar todos los datos necesarios con una sola nave espacial.

Hay dos métodos para estudiar el Sol: la teledetección y las mediciones in situ. En las mediciones de teledetección, una nave espacial se coloca a distancia y utiliza cámaras para observar el sol y su atmósfera en diferentes longitudes de onda. En una medición in situ, la nave sobrevuela la zona que quiere estudiar, tomando medidas de partículas y campos magnéticos en esa parte del espacio.

Ambos métodos tienen sus ventajas. La teledetección puede mostrar resultados a gran escala, pero no puede mostrar los detalles de los procesos que ocurren en el plasma. Al mismo tiempo, las mediciones in situ pueden proporcionar información muy específica sobre procesos a pequeña escala en el plasma, pero no pueden mostrar cómo estos procesos afectan a los procesos a gran escala.

Encuesta de naves espaciales duales

Para tener una visión completa, se necesitarían dos naves espaciales. Eso es exactamente lo que tienen actualmente los heliofísicos, con la nave espacial Solar Orbiter liderada por la ESA y la sonda solar Parker de la NASA. Solar Orbiter está diseñado para acercarse lo más posible al Sol mientras realiza operaciones de detección remota y mediciones in situ. La sonda solar Parker ha renunciado en gran medida a la detección remota del propio sol y, en cambio, se ha acercado más al sol para realizar mediciones sobre el terreno.

Pero para aprovechar al máximo su complementariedad, Parker Solar Probe debe estar dentro del campo de visión de uno de los instrumentos de Solar Orbiter. De esta manera, Solar Orbiter puede registrar la gran cantidad de datos generados por las mediciones in situ de Parker Solar Probe.


El Solar Orbiter de la ESA es una de las dos naves espaciales complementarias que estudian el Sol a corta distancia: se suma a la sonda solar Parker de la NASA en su misión. Créditos de imagen: Solar Orbiter: ESA/ATGmedialab; Sonda solar Parker: NASA/Johns Hopkins APL

coordinación astrofísica

Daniele Telloni, investigador del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en el Observatorio Astrofísico de Turín, es miembro del equipo detrás del instrumento Metis de Solar Orbiter. Metis es un coronógrafo que bloquea la luz de la superficie del sol y toma fotografías de la corona. Era el instrumento perfecto para mediciones a gran escala, por lo que Danielle se propuso averiguar cuándo se alinearía la sonda solar Parker.

Descubrió que el 1 de junio de 2022, las dos naves espaciales estarán en la configuración orbital correcta, casi. Esencialmente, Solar Orbiter mirará al sol, mientras que Parker Solar Probe estará a un lado, muy cerca pero justo fuera del campo de visión del instrumento Métis.

Cuando Daniel vio el problema, se dio cuenta de que poner a la vista la sonda solar Parker requeriría solo una pequeña maniobra en Solar Orbiter: girarla 45 grados y apuntarla ligeramente en dirección opuesta al sol.

Pero cada movimiento de una misión espacial se planifica cuidadosamente de antemano, y la propia nave espacial está diseñada para apuntar sólo en direcciones muy específicas, especialmente cuando se trata del aterrador calor del sol. No está claro si el equipo de operaciones de la nave espacial aprobaría tal desviación. Sin embargo, una vez que el beneficio científico potencial quedó claro para todos, la decisión fue un "sí" inequívoco.

La misión Solar Orbiter de la ESA se enfrentará al Sol desde dentro de la órbita de Mercurio durante su máxima aproximación al Sol. Fuente de la imagen: ESA/ATGmedialab

Observaciones innovadoras

El balanceo y la desviación continuaron; Parker Solar Probe apareció a la vista y, por primera vez, las dos naves espaciales midieron simultáneamente la estructura a gran escala de la corona y las propiedades microfísicas del plasma.

"Este trabajo es el resultado de las contribuciones de muchísimas personas", afirmó Daniel, quien dirigió el análisis del conjunto de datos. Trabajando juntos, produjeron las primeras observaciones exhaustivas y estimaciones in situ de las tasas de calentamiento coronal.

"La capacidad de utilizar Solar Orbiter y Parker Solar Probe simultáneamente realmente abre una dimensión completamente nueva a esta investigación", dijo Gary Zank de la Universidad de Alabama en Huntsville, coautor del artículo.

Al comparar las tasas recientemente medidas con años de predicciones teóricas realizadas por físicos solares, Daniel demostró que es casi seguro que los físicos solares tenían razón al identificar la turbulencia como un modo de transferencia de energía.

Concepto artístico de la sonda solar Parker acercándose al sol. Fuente de la imagen: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben

La forma exacta en que la turbulencia crea este efecto no es diferente de lo que sucede cuando revuelves el café por la mañana. Al estimular el movimiento aleatorio de un fluido (gas o líquido), la energía se transfiere a escalas más pequeñas y, en última instancia, se convierte la energía en calor. En la corona, el fluido también está magnetizado, por lo que la energía magnética almacenada también puede convertirse en energía térmica.

Esta transferencia de energía magnética y cinética de escalas mayores a menores es la esencia de la turbulencia. En las escalas más pequeñas, hace que las ondas eventualmente interactúen con partículas individuales (principalmente protones) y las calienten.

Conclusión e iluminación

Es necesario trabajar más antes de que se resuelva el problema del calentamiento solar, pero ahora, gracias al trabajo de Daniele, los físicos solares han medido este proceso por primera vez.

"Se trata de una primicia científica", afirmó el científico del proyecto Daniel Müller.