Proyectados por el magnetismo

Roa Zubia, Guillermo

Elhuyar Zientzia

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Iñigo Arregi es físico del Instituto IAC de Canarias. Trabaja con el satélite Hinode de la agencia espacial japonesa JAXA, investigando la superficie del Sol. Ed. Joten Okamoto ©

"Desde el punto de vista astrofísico, el Sol es una estrella normal, pero al ser la más cercana a nosotros nos interesa mucho", afirma el astrónomo Iñigo Arregi, desde Tokio. De hecho, Arregi es un físico teórico del Instituto IAC de las Islas Canarias y también estudia al Sol con la sonda Hinode de la Agencia Espacial Japonesa JAXA. "Colaboro en la planificación y seguimiento de las observaciones diarias de Hinode. Todos los días se revisan los datos recogidos en horas anteriores en busca de algo que pueda ser interesante".

La especialidad de Hinode es mirar de cerca la superficie del Sol, y Arregi conoce perfectamente su aspecto. Sin embargo, no es más que una apariencia. Se observa la superficie, pero realmente no existe. "El sol es una bola de gas por lo que no tiene superficie definida. La superficie visible a vista o mediante telescopios ópticos está definida por la última capa que emite luz blanca. Por eso le llamamos fotosfera".

El color de la supuesta superficie es importante, ya que el color de las estrellas depende de la temperatura, como el de los trozos de hierro calentados al fuego. A partir de una temperatura se colocan en rojo, y a partir de ahí se calientan para coger color naranja, amarillo y otros colores. Las más calientes son las estrellas azules. El Sol es amarillo-blanco por estar la superficie a 6.000 ºC. En una escala que clasifica las estrellas en función de la temperatura, el Sol es una estrella tipo G2: una estrella muy común, aunque no son de este tipo las galaxias más abundantes.

Además del color, hay algo que ver en esa supuesta superficie. Gracias a la sonda Hinode, Arregi es testigo diario. "En todo momento está lleno de millones de gránulos celulares, de unos 1.000 kilómetros de longitud y apenas duran unos minutos. También hay estructuras más grandes, supergranulares, de unos 30.000 km de longitud y varias horas de duración". Todo ello es un paisaje tallado por el campo magnético del Sol.

Los gránulos de la superficie del Sol muestran la influencia del magnetismo de la estrella. Ed. Euskal Henriques/Real Academia Sueca de la Ciencia ©

"El magnetismo es la característica que otorga al Sol una personalidad especial", afirma Arregi. El Sol, en definitiva, es una gran dinamo que crea un enorme campo magnético. "La zona atraviesa toda la estrella y su entorno. En la superficie, el magnetismo se explica por las manchas que aparecen aquí y allá". Y estas manchas son como puertas para el campo magnético.

En un viaje desde el interior del sol hacia fuera, a pesar de dejar atrás esta imagen, los caprichos del magnetismo no desaparecen. Al revés. La zona manda en todo lo que ocurre fuera, que es el mayor misterio del Sol para los científicos actuales.

El gran misterio del Sol

Aunque la superficie del Sol se encuentra a 6.000 ºC, la temperatura de la corona es mucho mayor. Millones de grados. Y, además, algo ocurre en la corona, que propulsa las partículas cargadas hacia el espacio. Todo lo que se escapa del sol se calienta y se acelera. ¿Pero cómo? Esta es una de las grandes preguntas sobre el Sol.

El viaje de las partículas cargadas comienza en la fotosfera visible a simple vista. Algunas de ellas, muy pocas, llegan a la Tierra, pero esta pequeña cantidad tiene una gran influencia. Interacciona violentamente con la magnetosfera terrestre; las partículas de gran energía cambian de forma la magnetosfera. Pero ¿dónde y cómo han obtenido energía estas partículas?

Ed. Guillermo Roa/Fundación Elhuyar

La respuesta a la pregunta Non es conocida. Está al principio del viaje. A medida que se asciende por encima de la superficie del Sol, la densidad de gas disminuye rápidamente. "El magnetismo domina la física que sucede allí. Esta zona de la baja atmósfera se denomina cromosfera. Esta región tiene una anchura vertical de 2.000 km, por lo que es una zona muy delgada que separa la superficie de la corona superior", explica Arregi. En la cromosfera las partículas se calientan hasta una temperatura de 10.000 ºC, pero sólo es el comienzo del efecto.

A partir de ahí comienza la corona del Sol, parte visible de los eclipses totales de Sol. "Las estructuras de la corona están relacionadas de alguna manera con el campo magnético que sale de las manchas de la superficie, pero la conexión entre la superficie inferior y la corona superior todavía no la entendemos con la precisión suficiente", explica Arregi.

Debido a que las partículas se calientan y aceleran principalmente en la corona, es evidente que las partículas absorben energía de algún lugar. Y ahí está el misterio, cómo pasa eso.

Tornados en el Sol

Vista cercana de una mancha solar el 22 de agosto de 2003. Ed. Luc Rouppe Van der Voort/Real Academia de la Ciencia de Suecia ©

En julio publicaron una posible explicación en la revista Nature. Los astrónomos de la Universidad de Oslo han descubierto que la respuesta podría estar en corrientes magnéticas en forma de tornados. "Este mismo año hemos descubierto que hay tornados en el Sol", dice Arregi. "Estos tornados son remolinos de las líneas del campo magnético". Estos remolinos, junto con las partículas, transportan energía hacia el espacio. El grupo de Oslo, a través del observatorio SDO, ha estudiado estratigráficamente la trayectoria ascendente de las partículas.

Los astrónomos han detectado tornados magnéticos, lo que no significa que se produzca este único proceso en toda la corona. Porque una sola explicación no es suficiente. "Si consideramos cada proceso por separado, lo entendemos bastante bien. A nivel cualitativo, al menos, dan respuesta a muchas preguntas. A nivel cuantitativo, sin embargo, está por determinar si la energía que pueden aportar al calentamiento y a la aceleración de partículas es suficiente".

Hay un gran esfuerzo por recoger más datos de la corona del Sol y por suministrar datos a investigadores. Son muchas misiones. "Es difícil dar un número concreto", dice Arregi. "Para dar una idea, en este momento tenemos aproximadamente diez misiones estudiando el Sol desde el espacio. Aunque algunos son viejos, incluso después de haber superado bien su vida inicial, todavía son útiles y sus datos son importantes, como la misión SOHO. Otros más recientes, como el satélite Hinode de la agencia JAXA, los dos satélites STEREO de la NASA, que permiten visualizar la atmósfera del Sol de forma estereoscópica, o la misión SDO enviada hace dos años por la NASA para medir la corona solar y sus diferentes temperaturas. En la última década también se han diseñado varias misiones para estudiar el viento solar in situ: WIND y ACE, por ejemplo".

De cara al futuro, los esfuerzos se centran en dos aspectos generales. Por un lado, observar y comprender con más detalle la dinámica cromosfera-corona a través de las misiones IRIS y SOLAR-C de la NASA. Por otro lado, se lanzarán misiones que tratarán de conocer mejor la génesis y naturaleza del viento solar. "Dentro de cinco años la Agencia Europea pondrá en marcha Solar Orbiter para estudiar el viento solar y sus puntos de generación en los polos del Sol. Para ello se acercará a una distancia de 60 radios solares desde el Sol. Con la misión Solar Probe Plus de la NASA tienen previsto ir más cerca del Sol. En este caso, el observatorio alcanzará 8 radios solares (unos 6 millones de km) sobre la superficie del Sol, con el fin de medir directamente sus condiciones físicas".

Un gigante
El sol es gigante. El Sol tiene un diámetro de 1.400.000 kilómetros, 3,6 veces la distancia entre la Tierra y la Luna. Allí entrarían 109 Tierras, una junto a otra. Este diámetro no es exclusivo del ecuador. La esfera es casi perfecta. La rotación hace que los polos sean 10 kilómetros más planos, es una deformación muy pequeña, como si una naranja tuviera una deformación magra.
Y en masa también es gigante. Casi el 99% de la masa del Sistema Solar es solar. Todos los planetas, asteroides, cometas y astros que les rodean, unidos por todas las partículas disponibles, representan sólo el 1% del sistema. El Sol tiene una masa 1.047 veces mayor que Júpiter. Precisamente por eso emite luz; para que la fusión sea lo suficiente para emitir luz, debe ser al menos 80 más grande que Júpiter. En comparación con otros planetas, la diferencia es aún mayor. Por ejemplo, su masa es 333.000 veces mayor que la Tierra.
Ed. Guillermo Roa/Fundación Elhuyar
Es muy grande y, sin embargo, está perdiendo masa continuamente, aunque ingiere cometas, asteroides y otros astros. El Sol expulsa millones de toneladas de material por segundo, junto con la luz y la radiación --el origen de la luz y la radiación es también la desintegración de la masa-.
De hecho, todo lo que pierde permite a la vida existir en la Tierra y amenaza a la vez. Es un equilibrio astronómico; sin Sol no habría vida, ni siquiera sin la protección de la Tierra.
Este equilibrio no será para siempre, pero durará mucho. La fusión del Sol necesita hidrógeno y todavía tiene mucho, aproximadamente el 75%. Casi todo lo demás es helio, producto de fusión. El hidrógeno no se agota en miles de millones de años, pero a medida que se consume, el Sol está cambiando. El helio es más denso que el hidrógeno, por lo que se está comprimiendo con el tiempo. Y por compresión se calienta. Por lo tanto, el Sol es cada vez más ligero, más bajo y más caliente, pero el cambio se está produciendo muy lentamente y se necesitan millones de años para que sea evidente.
Desde el sol a los ojos del hombre
El interior del Sol es luminoso. Allí se producen fuertes reacciones nucleares. A nivel de los átomos se fusionan seis protones, cuatro de los cuales forman un átomo de helio y los otros dos se sueltan, junto con neutrinos, luz y calor. A nivel de la estrella, el corazón del Sol es una explosión continua. Por ello, el núcleo se encuentra a 13,6 millones de grados. Pero la luz producida en la fusión no adelanta más de un centímetro, ya que es absorbida por los átomos vecinos. Estos átomos, al fusionarse, emiten más luz en cualquier otra dirección, lo que ocurre una y otra vez mientras la luz está en el núcleo del Sol. A su salida, la luz debe atravesar dos zonas interiores al Sol para llegar hasta la superficie: la capa de radiación y la capa de convección. Finalmente llega a la superficie fría del Sol, a unos -6.000 ºC.
Es un camino largo, por un lado, midiendo la distancia: La corteza se encuentra a 695.000 kilómetros del centro solar. Por otro lado, es muy largo en el tiempo: desde que se fusionan los protones hasta que el ser humano ve esa luz pasan al menos 17.000 años, pero algunos expertos creen que pueden ser millones de años. Los últimos 8 minutos de este largo tiempo son el viaje desde la superficie del Sol hasta la Tierra.
Vida del Sol
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En una nube grande y estable de átomos de hidrógeno se produjo un suceso, como la onda expansiva de una supernova, que provocó la acumulación de hidrógeno. La gravedad comprimió y calentó el hidrógeno hasta los 3 millones de grados. Se inició la fusión de hidrógeno y el Sol se encendía. Nació una estrella.
1-7 mil años
El hidrógeno se está fusionando en el núcleo del Sol y se forma el helio. A medida que se forma el helio, la estrella se comprime porque es más densa que el hidrógeno. Además, la propia fusión provoca la propagación de la estrella, pero la gravedad ejerce una fuerza contraria. El tamaño no disminuye mucho, ya que la radiación de la fusión equilibra la mayor parte de la fuerza de gravedad, pero el Sol se está calentando.
8-9 mil años
El hidrógeno del núcleo se empezará a agotar, pero la compresión calentará las capas adyacentes al núcleo, donde seguirá predominando el hidrógeno. Por lo tanto, se iniciará la fusión extracentro y el Sol se expandirá muy rápidamente, ya que en las capas exteriores la gravedad no compensa la fuerza expansiva de la fusión.
Ed. Guillermo Roa/Fundación Elhuyar
10 mil millones de años
El Sol se convierte en un gigante rojo. El gigante porque va más allá de la órbita de Marte. Rojo, porque la apertura ha enfriado mucho la estrella.
11 mil millones de años
El Sol perderá gran cantidad de materia hasta convertirse en un enano blanco. La materia perdida estará en forma de nebulosa alrededor del Sol.
12-14 mil años
Enano blanco. La última huella que ha dejado la muerte del Sol. La nebula resultante se extenderá progresivamente hasta su desaparición.
Casi hasta tocar el Sol
La sonda Solar Probe Plus se acercará mucho al Sol. Recogerá de primera mano los datos de la corona solar para poder investigar lo que allí sucede: calentamiento y aceleración del viento solar. Para ello se acercará mucho al Sol, hasta 6 millones de kilómetros de su superficie. Se encuentra en el interior de la corona, que alcanza los 15 millones de kilómetros. La sonda estará cerca del contacto con el sol.
El tema ha sido tratado por la ciencia ficción. En el cuento Ring Around the Sun, del escritor Isaac Asimov, dos pilotos viajan desde Venus a la Tierra acercándose mucho al Sol. Es una forma de hacer el viaje más corto. Para pasar cerca del Sol, la nave espacial dispone de un potente sistema de refrigeración que se deteriora durante el viaje. No se puede apagar. Los personajes pasan junto al Sol a punto de congelarse.
Este relato humorístico, sin embargo, analiza sólo uno de los dos problemas de aproximación al Sol: la temperatura. El otro problema es la radiación. El sol no para de expulsar la materia y la radiación. Y Solar Probe Plus estará incluido en la zona de captación de energía.
Por ello, el reto tecnológico consiste en proteger el envase. Por un lado, es el reto de los materiales, con un escudo discoidal de 3 metros de diámetro, realizado con espuma de carbono. Por otro lado, tienen el reto de la navegación; en todo momento, el escudo deberá estar orientado hacia el Sol. Un error de orientación provocará que Solar Probe Plus se queme.
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