Nuevos mapas del campo magnético solar arrojan luz sobre la actividad del Sol

Visualización artística del campo magnético solar en la región activa observada por el experimento CLASP2. / Gabriel Pérez Díaz – SMM (IAC)

La cromosfera es una región de la atmósfera solar que se extiende unos miles de kilómetros entre la relativamente delgada y fría fotosfera (con temperaturas de algunos miles de grados) y la extensa y extremadamente caliente corona (con temperaturas superiores al millón de grados).

Aunque la temperatura de la cromosfera es cien veces menor que la de la corona, sin embargo es mucho más densa y necesita muchísima más energía para sostenerse. Además, la energía necesaria para calentar la corona tiene que atravesar la cromosfera, lo que la convierte en una región crucial para solucionar muchos de los problemas clave en la física solar y estelar.

Uno de los retos científicos actuales es entender cómo se produce la violenta actividad de la atmósfera solar, que en ocasiones perturba la magnetosfera terrestre con serias consecuencias para nuestro presente mundo tecnológico.

Capas del Sol. / Mikel Rodríguez Hidalgo

En este contexto, la descripción más extensa que se ha realizado del campo magnético longitudinal del Sol hasta la fecha, utilizando los datos del experimento espacial suborbital CLASP2, proporciona resultados que respaldan que el campo magnético de nuestra estrella calienta su atmósfera superior, impulsando la actividad solar.

La investigación, que se publica en la revista Science Advances, puede ayudar a los científicos a trazar un mapa más amplio del campo magnético en toda la atmósfera solar, además de a comprender mejor cómo canaliza la energía hacia las capas gaseosas externas del Sol.

“Es imposible entender la atmósfera solar si no logramos determinar los campos magnéticos de la cromosfera, especialmente en sus capas más externas, donde la temperatura del plasma es del orden de diez mil grados y las fuerzas magnéticas dominan la estructura y dinámica del plasma”, asegura el coautor Javier Trujillo Bueno, profesor del CSIC en el IAC, donde también es el científico responsable del grupo POLMAG.

Las investigaciones teóricas realizadas por este grupo indicaron que ese objetivo puede alcanzarse si se observa la polarización que varios mecanismos físicos producen en la radiación ultravioleta emitida por los átomos de hidrógeno neutro y del magnesio ionizado en la cromosfera solar.

Dado que la atmósfera de la Tierra absorbe la radiación ultravioleta del Sol, hay que ir a observarla por encima de los 100 kilómetros de altura. Con este objetivo se creó un consorcio internacional liderado por el Marshall Space Flight Center de la NASA, el Observatorio Astronómico Nacional japonés (NAOJ), el Instituto de Astrofísica Espacial francés y el IAC.

Este equipo diseñó una serie de experimentos espaciales que fueron aprobados por la NASA en el marco de su programa para investigaciones con cohetes sonda. Sus nombres, Chromospheric Lyman-Alpha Spectro-Polarimeter (CLASP1, lanzado en 2015) y Chromospheric LAyer Spectro-Polarimeter (CLASP2, lanzado en 2019).

El estudio usa los datos de CLASP2 para analizar la intensidad y polarización circular de la radiación ultravioleta emitida por el plasma de una región activa de la atmósfera solar, en un rango espectral con las líneas de magnesio ionizado y manganeso neutro.

Datos de CLASP2 e Hinode utilizados en el estudio. El fondo es la imagen tomada por el satélite Solar Dynamics Observatory (SDO). / NAOJ, NASA, IAC, IAS

La polarización circular observada por CLASP2 se debe a un fenómeno físico conocido como efecto Zeeman, mediante el cual la radiación emitida por los átomos está polarizada cuando estos están en presencia de un campo magnético.

“Las señales de polarización circular en las líneas del magnesio son sensibles al campo magnético en las regiones media y externa de la cromosfera solar, mientras que la polarización circular en las líneas del manganeso responde a campos magnéticos en la región más profunda de la cromosfera”, explica Tanausú del Pino Alemán, uno de los científicos del grupo POLMAG y del equipo internacional.

Mientras CLASP2 realizaba sus observaciones, el telescopio espacial Hinode apuntaba simultáneamente a la misma región activa del disco solar. “Esto permitió obtener información sobre el campo magnético en la fotosfera a partir de la polarización observada en líneas espectrales del hierro neutro, que se encuentran en el rango visible del espectro”, comenta Andrés Asensio Ramos, otro de los investigadores del IAC que ha participado en el proyecto.

El equipo también logró observaciones simultáneas con el telescopio espacial IRIS (no diseñado para medir la polarización), midiendo la intensidad de la radiación ultravioleta con mayor resolución espacial.

Lanzamiento del experimento CLASP2 . / US Army Photo, White Sands Missile Range

Los autores de esta investigación internacional, coordinada por el investigador Ryohko Ishikawa del NAOJ y Trujillo, han logrado cartografiar por primera vez el campo magnético a través de toda la atmósfera de la región activa observada por CLASP2, desde la fotosfera hasta la base de la corona.

“Este cartografiado del campo magnético a distintas alturas en la atmósfera solar es de gran interés científico, pues ayudará a descifrar el acoplamiento magnético entre las distintas regiones de la atmósfera solar”, comenta Ernest Alsina Ballester, investigador del equipo que acaba de incorporarse al IAC tras su primer postdoctorado en Suiza.

Los resultados confirman y demuestran que, en estas regiones de la atmósfera solar, las líneas de fuerza del campo magnético se expanden e inundan toda la cromosfera antes de llegar a la base de la corona.

Gráfico de la componente longitudinal del campo magnético en la fotosfera y distintas capas de la cromosfera. / NAOJ, IAC, NASA/MSFC, IAS

Otro resultado importante de esta investigación es que la fuerza del campo magnético en las capas más externas de la cromosfera está fuertemente correlacionada con la intensidad de la radiación en el centro de las líneas espectrales del magnesio y con la presión de electrones en esas mismas capas, lo que revela el origen magnético del calentamiento de las regiones externas de la atmósfera solar.

Según los autores, los experimentos espaciales CLASP1 y CLASP2 suponen un hito en Astrofísica, siendo la primera vez que se logra observar las relativamente débiles señales de polarización producidas por varios mecanismos físicos en líneas del espectro ultravioleta del Sol.

Estas observaciones han confirmado de forma espectacular las predicciones teóricas, validando la teoría cuántica sobre la generación y transferencia de radiación polarizada que estos científicos aplican en sus estudios sobre el campo magnético de la cromosfera solar.

Nuevo experimento en 2022

El equipo acaba de recibir la buena noticia de que la NASA ha seleccionado su reciente propuesta para realizar un nuevo experimento espacial durante el próximo año, lo que les permitirá cartografiar el campo magnético en regiones más extensas del disco solar.

“Obviamente, observaciones sistemáticas de la intensidad y polarización de la radiación ultravioleta del Sol requieren un telescopio espacial equipado con instrumentos como los de CLASP, pues los pocos minutos de observación de un vuelo suborbital no son suficientes”, comenta Trujillo.

Los investigadores están convencidos de que, gracias a lo demostrado con CLASP, ese tipo de telescopios espaciales se hará pronto realidad, y que la interpretación física de sus observaciones espectro-polarimétricas permitirá entender mejor la actividad magnética en las regiones externas de las atmósferas del Sol y de otras estrellas.

Referencia: R. Ishikawa et al. “Mapping solar magnetic fields from the photosphere to the base of the corona”. Science Advances, 2021.