Se descubre la fuente de energía del viento solar

Usando datos de una veterana nave espacial de la NASA, investigadores han encontrado indicios de una fuente de energía en el viento solar que ha captado la atención de quienes investigan en el campo de la fusión. La NASA podrá poner a prueba esta nueva teoría más adelante, en el transcurso de esta década, cuando envíe una nueva sonda hacia el Sol con el fin de realizar observaciones de cerca.

El descubrimiento fue realizado por un grupo de astrónomos que intentaba resolver un misterio que tiene décadas: ¿qué es lo que calienta y acelera el viento solar?

El viento solar es un flujo caliente y de alta velocidad de gas magnetizado, que emana de la parte superior de la atmósfera del Sol. Está compuesto de iones de hidrógeno y helio, y una pizca de elementos más pesados. Los investigadores lo comparan con el vapor de una olla de agua hirviendo sobre una estufa; de hecho, el Sol se está evaporando, literalmente.


"Sin embargo", dice Adam Szabo, del Centro Goddard para Vuelos Espaciales (Goddard Space Flight Center, en idioma inglés), "el viento solar hace algo que el vapor en su cocina nunca hace. Conforme el vapor sale de una olla y se eleva, se desacelera y se enfría. Pero cuando el viento solar se aleja del Sol, se acelera, y triplica su velocidad tras su paso a través de la corona. Además, algo dentro del viento solar continúa calentándolo a medida que fluye hacia el frío del espacio".

Encontrar ese "algo" ha sido una meta de los investigadores durante décadas. En las décadas de 1970 y 1980, las observaciones de las dos naves espaciales Helios, de propiedad de Alemania y Estados Unidos, permitieron formular las primeras teorías, las cuales usualmente incluían alguna combinación de inestabilidades del plasma, ondas magnetohidrodinámicas y calentamiento turbulento. Reducir el número de posibilidades fue todo un reto. Al parecer, la respuesta yacía escondida en un conjunto de datos de una de las naves espaciales más viejas de la NASA que aún funciona, una sonda solar llamada Wind (Viento, en idioma español).

Lanzada en 1994, Wind es tan antigua que emplea cintas magnéticas similares a las anticuadas cintas de 8 pistas para registrar y reproducir sus datos. Equipada con un grueso blindaje y sistemas doblemente redundantes para evitar cualquier falla, la nave espacial fue hecha para durar; al menos un investigador de la NASA se ha referido a ella como la "Battlestar Galactica" de la flota de heliofísica, haciendo referencia a la historia de ciencia ficción que lleva ese nombre. Wind ha sobrevivido a casi dos ciclos solares completos y a una cantidad enorme de erupciones solares.

"Después de todos estos años, Wind aún nos envía excelentes datos", dice Szabo, quien es el científico de proyecto de la misión, "y todavía conserva unos 60 años de combustible en sus tanques".


Emplear a Wind para descifrar el misterio fue, según Justin Kasper, del Centro Harvard–Smithsoniano de Astrofísica, "una decisión obvia". Él y su equipo procesaron el registro completo del viento solar que recolectó la nave durante 19 años, el cual incluye mediciones de la temperatura, el campo magnético y la energía, y ...

"Creo que la encontramos", dice. "La fuente de calentamiento del viento solar son las ondas ciclotrón iónicas".

Las ondas ciclotrón iónicas están compuestas de protones que describen trayectorias circulares alrededor del campo magnético del Sol con el vaivén típico de una onda. De acuerdo con la teoría desarrollada por Phil Isenberg (de la Universidad de New Hampshire), expandida por Vitaly Galinsky y Valentin Shevchenko (de la UC San Diego), las ondas ciclotrón iónicas emanan del Sol. Al atravesar el viento solar, calientan el gas a millones de grados y aceleran el flujo a millones de kilómetros por hora. Los hallazgos de Kasper confirman que en efecto hay ondas ciclotrón iónicas en acción, al menos en la vecindad de la Tierra donde opera la sonda Wind.

Según Kasper, las ondas ciclotrón iónicas pueden hacer mucho más que solamente calentar y acelerar el viento solar. "También son responsables de algunas de las propiedades muy extrañas del viento".

El viento solar no es como el viento en la Tierra. Aquí en nuestro planeta, los vientos atmosféricos transportan el nitrógeno, el oxígeno y el vapor de agua todos juntos; todas las especies químicas se mueven a la misma velocidad y tienen la misma temperatura. El viento solar, por otro lado, es más extraño. Los elementos químicos que se encuentran presentes en el viento solar, como el hidrógeno, el helio y los iones pesados, se mueven con diferentes velocidades, tienen distintas temperaturas y, lo más extraño de todo, poseen temperaturas que cambian según la dirección.

"Nos hemos preguntando durante mucho tiempo por qué los elementos más pesados en el viento solar se mueven más rápidamente y tienen temperaturas más altas que los elementos livianos", dice Kasper. "Esto es completamente opuesto a la intuición".

La teoría ciclotrón iónica lo explica: los iones pesados resuenan fácilmente con las ondas ciclotrón iónicas. En comparación con sus contrapartes más livianas, obtienen más energía y se calientan al oscilar con las ondas.

El comportamiento de los iones pesados en el viento solar es lo que intrigada a los investigadores en el campo de la fusión nuclear. Kasper explica: "Si uno mira los reactores de fusión en la Tierra, uno de los grandes obstáculos para su funcionamiento es la contaminación. Los iones pesados que se desprenden de las paredes metálicas de la cámara de fusión se introducen en el plasma donde la fusión se lleva a cabo. Los iones pesados irradian calor. Esto puede enfriar el plasma al punto de detener la reacción de fusión".

Las ondas ciclotrón iónicas del tipo de las que Kasper ha encontrado en el viento solar podrían proporcionar una forma de revertir este proceso. En teoría, podrían usarse con el fin de calentar y/o eliminar los iones pesados, devolviendo así el equilibrio térmico al plasma que se está fusionando.

"He sido invitado a varias conferencias sobre fusión para hablar de nuestro trabajo sobre el viento solar", dice.

El siguiente paso, Kasper y Szabo concuerdan, es determinar si las ondas ciclotrón iónicas se comportan de la misma forma adentro de la atmósfera del Sol, donde el viento solar comienza su viaje. Para averiguarlo, la NASA planea enviar una nave espacial al interior mismo de la atmósfera del Sol.

Programada para ser lanzada en 2018, la Solar Probe Plus (Sonda Solar Plus, en idioma español) se adentrará tan profundamente en la atmósfera solar que el Sol parecerá 23 veces más grande de lo que parece cuando se lo observa desde los cielos de la Tierra. En su máximo acercamiento, a unos 7 millones de kilómetros de la superficie del Sol, la sonda Solar Probe Plus tendrá que soportar temperaturas que exceden los 1400 grados Celsius y sobrevivir a ráfagas de radiación de niveles que ninguna otra nave espacial ha experimentado. El objetivo de la misión es tomar mediciones del plasma y del campo magnético del Sol justamente en la fuente del viento solar.

"Con la sonda Solar Probe Plus podremos llevar a cabo experimentos específicos para poner a prueba la teoría ciclotrón iónica empleando sensores mucho más avanzados que los que lleva la nave espacial Wind a bordo", dice Kasper. "Esto debería darnos un entendimiento mucho más profundo de la fuente de energía del viento solar".

La investigación descripta en esta nota fue publicada en Physical Review Letters , el 28 de febrero de 2013: "Sensitive Test for Ion–Cyclotron Resonant Heating in the Solar Wind" ("Prueba de Alta Sensibilidad del Calentamiento Resonante Ciclotrón Iónico en el Viento Solar", en idioma español), por Justin Kasper y colaboradores.

Fuente Ciencia@NASA