El universo es: expansión, enfriamiento y oscuridad. ¡Comienza con una explosión!

Este fragmento de la imagen de la `` primera luz '' publicada por el Telescopio Solar Inouye de NSF muestra las células convectivas del tamaño de Texas en la superficie del Sol en una resolución más alta que nunca. Por primera vez, se pueden ver las características entre las celdas, con resoluciones tan pequeñas como 30 km, arrojando luz sobre los procesos que ocurren en el interior del Sol. 

(OBSERVATORIO SOLAR NACIONAL / AURA / FUNDACIÓN NACIONAL DE CIENCIA / TELESCOPIO SOLAR INOUYE)

Este desastre multimillonario se acerca, y la astronomía solar es nuestra principal defensa

El nuevo observatorio solar de vanguardia de la NSF nos muestra el Sol como nunca antes. He aquí por qué necesitamos saber.

El 12 de diciembre de 2019, el observatorio solar más poderoso del mundo, el Telescopio Solar Daniel K. Inouye de la National Science Foundation, abrió sus ojos por primera vez . Con un espejo primario de 4 metros de diámetro y un diseño único y descentrado , el Telescopio Solar Inouye es capaz de capturar imágenes del Sol de hasta 30 km de tamaño. Ya en sus primeras imágenes claras lanzadas el 29 de enero de 2020, se revelaron por primera vez características entre las células convectivas del tamaño de Texas.

Pero el Telescopio Solar Inouye ofrece mucho más que imágenes hermosas de nuestra estrella madre; Es uno de una serie de proyectos de astronomía solar que están trabajando juntos para proteger nuestro planeta de un desastre multimillonario que definitivamente se avecina: una erupción solar catastrófica. Podría venir en cualquier momento de este año o no durante otros siglos, pero estudiar el Sol es la única forma de prepararse. Aquí está la ciencia detrás de estas hermosas imágenes y videos .

  

Esta imagen compuesta única de alto rango dinámico se creó durante el eclipse solar total de 2019 a partir de un total de más de 2000 cuadros de exposición. Se puede ver la corona del Sol extendiéndose por 25 radios solares hacia el horizonte, y unos espectaculares 40 radios solares lejos de ella. (NICOLAS LEFAUDEUX (2019), HDR-ASTROPHOTOGRAPHY.COM)

Hasta 1859, la astronomía solar era extremadamente simple: los científicos estudiaron la luz del Sol, las manchas solares que ocasionalmente salpicaban la superficie del Sol, y vieron la corona durante los eclipses solares. Pero en 1859, el astrónomo solar Richard Carrington estaba mirando al Sol, rastreando una gran mancha solar irregular, cuando ocurrió algo sin precedentes: se observó una "llamarada de luz blanca", intensamente brillante y que se movía a través del lugar durante unos 5 minutos antes. desapareciendo por completo.

Esto resultó ser la primera observación de lo que ahora llamamos una llamarada solar . Unas 18 horas después (aproximadamente tres o cuatro veces la velocidad de la mayoría de las erupciones solares), la tormenta geomagnética más grande en la historia registrada ocurrió en la Tierra. Se observaron auroras alrededor del mundo: los mineros se despertaron en las Montañas Rocosas; los periódicos podían leerse a la luz de la aurora; La cortina verde brillante apareció en Cuba, Hawai, México y Colombia. Los sistemas telegráficos, incluso cuando estaban desconectados, experimentaron sus propias corrientes inducidas, causando choques e incluso provocando incendios.

Una erupción solar de clase X estalló desde la superficie del Sol en 2012: un evento que aún era mucho, mucho más bajo en brillo y producción total de energía que el evento Carrington de 1859, pero que aún podría haber causado una tormenta geomagnética catastrófica si hubiera golpeado la Tierra con las propiedades correctas (o incorrectas). (NASA / OBSERVATORIO DE DINÁMICA SOLAR (SDO) A TRAVÉS DE IMÁGENES GETTY)

Si tal evento ocurriera hoy, la infraestructura que tenemos para la electricidad y la electrónica experimentaría efectos devastadores que fácilmente podrían causar daños por billones de dólares . El problema es que las tormentas geomagnéticas, formadas cuando ciertos eventos del clima espacial penetran en nuestra magnetosfera e interactúan con la atmósfera, pueden hacer que fluyan corrientes masivas incluso en circuitos electrónicos que están completamente desconectados.

Un objetivo científico clave para la astronomía solar es comprender cómo la interacción entre el Sol, el clima espacial que causa estas tormentas y los efectos en la Tierra están relacionados. Esta es la razón por la cual el Telescopio Solar Inouye de la NSF tiene, como su principal objetivo científico, medir el campo magnético del Sol en tres capas diferentes:
en la fotosfera,
en la cromosfera
y a lo largo de la corona solar.

Con su enorme diámetro de 4 metros y sus cinco instrumentos científicos, cuatro de los cuales son espectropolares diseñados para medir las propiedades magnéticas del Sol, medirá los campos magnéticos en y alrededor del Sol como nunca antes.


Medir el campo magnético en varias capas del Sol es lo más importante que podemos hacer para predecir el clima espacial, lo cual es una sorpresa para la mayoría de las personas. A fines de la década de 1980, todos hablaban de las erupciones solares como impulsoras del clima espacial, y en eso se centran la mayoría de las discusiones. Sin embargo, eso solo cuenta una pequeña parte de la historia, ya que a veces las erupciones solares pueden causar tormentas geomagnéticas espectaculares en la Tierra, pero en otras ocasiones, no tienen ningún efecto.

Nuestro primer gran paso hacia la comprensión del papel de los campos magnéticos se produjo en 1995, cuando se lanzó el observatorio SOHO de la NASA . Lo que vio no fueron solo erupciones solares en la fotosfera, sino un nuevo tipo de fenómeno: eyecciones de masa coronal (CME), que se originan más lejos del Sol que la fotosfera. Si alguna vez has visto una animación azul del Sol donde el disco solar está bloqueado por un coronógrafo, has visto una imagen de SOHO.
El SOHO de la NASA observa varias eyecciones de masa coronal (CME), gracias al poder de su coronógrafo que bloquea el sol que permite obtener imágenes de la corona dinámica en tiempo real. Cerca de allí, esta animación de 1998 también muestra el cometa C / 1998 J1. (ESA / NASA / SOHO)

Cuando las CME llegan a la Tierra, eso es lo que causa un evento de clima espacial. Una llamarada solar sin un CME no será capaz de causar una gran tormenta geomagnética; Una de las cosas que SOHO nos enseñó es que el campo magnético de la Tierra nos protegerá extremadamente bien de las erupciones solares normales, lo que lleva a un evento auroral menor como máximo.

Pero muchas erupciones solares conducirán a eyecciones de masa coronal, particularmente si hay una prominencia solar cerca. Las prominencias son colecciones de material de alta densidad que residen en la corona, y las CME generalmente ocurren donde las prominencias encontradas en el Sol se rompen magnéticamente, lo que conduce a la expulsión del material. Las CMEs en sí mismas están orientadas direccionalmente, y son solo las que terminan golpeando la Tierra las que nos ponen en riesgo. Cuando un CME se aparta, no hay preocupación; pero cuando vemos un CME anular desde nuestra perspectiva, es cuando se dirigen hacia nosotros.
Cuando una eyección de masa coronal parece extenderse en todas las direcciones de manera relativamente equitativa desde nuestra perspectiva, un fenómeno conocido como CME anular, es una indicación de que es probable que se dirija a nuestro planeta. (ESA / NASA / SOHO)

Pero incluso las erupciones solares que causan CME que se dirigen directamente a la Tierra no necesariamente causan tormentas geomagnéticas; debe haber otra pieza del rompecabezas que se alinee a la perfección: debe haber la conexión magnética correcta. Recuerde que los imanes suelen tener polos norte y sur, donde los polos similares (norte-norte o sur-sur) se repelen, pero los polos opuestos (norte-sur o sur-norte) se atraen.

La Tierra tiene su propio campo magnético, que, desde la distancia, se parece a un imán de barra alineado cerca de nuestro eje de rotación. Si el campo magnético del material expulsado durante un CME está alineado con el campo de la Tierra, las partículas solares serán repelidas y no se producirá ningún evento geomagnético en la Tierra. Pero si los campos no están alineados, como casi seguro que fueron hace 161 años para el infame evento de Carrington, obtendrás un evento espectacular (y posiblemente peligroso), con las mejores exhibiciones aurorales y mucho, mucho más.

Cuando las partículas cargadas se envían hacia la Tierra desde el Sol, son dobladas por el campo magnético de la Tierra. Sin embargo, en lugar de desviarse, algunas de esas partículas se canalizan a lo largo de los polos de la Tierra, donde pueden chocar con la atmósfera y crear auroras. Esto solo ocurre durante las CME cuando el componente correcto del campo magnético de las partículas expulsadas está anti-alineado con el campo magnético de la Tierra. (NASA)

Desde la década de 2000, nuestras mejores herramientas para medir los campos magnéticos de las partículas cargadas de las CME que se dirigen hacia la Tierra son los satélites y observatorios ubicados en el punto L1 Lagrange: un punto en el espacio ubicado a unos 1,500,000 km de la Tierra en el Sol lado orientado. Desafortunadamente, eso ya es el 99% del camino desde el Sol hasta la Tierra; Por lo general, solo obtenemos aproximadamente ~ 45 minutos desde que un CME llega a L1 hasta que llega a la Tierra, y produce una tormenta geomagnética o no.

Idealmente, lo que nos brindaría nuestra próxima generación de observatorios solares es un gran aumento en la cantidad de tiempo que tendremos que saber si necesitamos tomar las medidas de mitigación apropiadas cuando se produce una eyección de masa coronal potencialmente catastrófica. Hay muchas cosas que podemos hacer, pero necesitamos más de una hora de aviso anticipado para poder hacerlas.

Una gráfica de contorno del potencial efectivo del sistema Tierra-Sol. El punto L1 Lagrange es útil para los satélites que observan el Sol, ya que siempre permanecerán entre la Tierra y el Sol, pero en ese punto, las partículas de un CME ya están al 99% del camino. (NASA)

La mejor manera de mitigar el daño causado por los fenómenos meteorológicos espaciales en la Tierra es hacer que las compañías eléctricas corten las corrientes en sus redes eléctricas y desconecten (y suficientemente a tierra) las estaciones y subestaciones, para que la corriente inducida no fluya hacia viviendas, negocios y naves industriales. Debido a la enorme magnitud de las corrientes, deben ser reducidas de forma segura y gradual, lo que generalmente toma alrededor de un día, en lugar de una hora, para su promulgación.

La clave para saber si un CME tiene el componente apropiado de su campo magnético alineado o anti-alineado mucho antes de su llegada a la Tierra es medir el campo magnético en el Sol; en lugar de ~ 45 minutos de tiempo de espera, puede obtener los ~ 3 días completos o más, por lo que normalmente se necesita material coronal expulsado para viajar del Sol a la Tierra.

El Telescopio Solar Inouye es precisamente este sorprendente magnetómetro de medición solar que necesitamos para hacer estas observaciones.
La luz del sol, que entra a través de la cúpula abierta del telescopio en el Telescopio Solar Daniel K. Inouye (DKIST), golpea el espejo primario y hace que los fotones sin información útil se reflejen, mientras que los útiles se dirigen hacia los instrumentos montados en otra parte del telescopio. (NSO / NSF / AURA)

Prácticamente cada problema que estamos tratando de resolver sobre el Sol es un problema magnético. Si queremos entender lo que ocurre en la fotosfera del Sol, es impulsado por el calentamiento de las capas internas del Sol, pero se distribuye de acuerdo con el campo magnético y su distribución a través de las capas externas del Sol. La conectividad magnética se extiende desde la fotosfera a la cromosfera hasta la corona, lo que proporciona calor, vientos y permite que la corona sea tan enérgica.

Los vientos generados en la corona caliente crean la conexión magnética entre la Tierra y el Sol, y de hecho entre el Sol y el resto del Sistema Solar, relevante para las auroras en los planetas, incluso en el Sistema Solar exterior. No importa cuán bien midamos las otras propiedades del material del Sol: velocidad, cinemática, energía, calorimetría, etc., las propiedades magnéticas son clave para comprender qué impulsa los procesos del Sol.

Los bucles coronales solares, como los observados por el satélite de la Región de Transición y el Explorador Coronal (TRACE) de la NASA aquí en 2005, siguen el camino del campo magnético en el Sol. Cuando estos bucles "se rompen" de la manera correcta, pueden emitir eyecciones de masa coronal, que tienen el potencial de impactar la Tierra. (NASA / TRACE)

Para comprender qué va a afectar a la Tierra y cómo, necesitamos una comprensión integral de lo que está ocurriendo no solo en el Sol, sino también en las partículas expulsadas de él en todos los niveles:
de la fotosfera,
a través de la cromosfera,
a la corona,
a través del espacio interplanetario,
a través del punto L1 Lagrange,
y en nuestro planeta mismo.

Una combinación del telescopio solar Inouye, la sonda solar Parker , la próxima misión Solar Orbiter , junto con satélites L1 como SOHO y SDO, nos permitirá comprender la conexión magnética entre el Sol y la Tierra como nunca antes. El telescopio solar Inouye de la NSF, que midió no solo las células convectivas del tamaño de Texas en el Sol con mayor precisión que nunca, sino que también presenta el revestimiento del espacio entre esas células por primera vez, es una parte indispensable de eso.

Este corte anotado muestra un diagrama de diseño esquemático del Telescopio Solar Daniel K. Inouye, que incluye el espejo primario, componentes, instrumentos y más. Este es el observatorio solar más avanzado jamás construido. (NSF / AURA / OBSERVATORIO SOLAR NACIONAL)

Aunque las erupciones solares más grandes son raras, ocurren con cierta regularidad. Algunos de ellos crean eyecciones de masa coronal; algunas eyecciones de masa coronal se dirigen directamente hacia la Tierra; Algunos de los que se dirigen hacia la Tierra tienen exactamente las propiedades correctas para crear auroras espectaculares y tormentas geomagnéticas potencialmente catastróficas. Solo ahora, con esta nueva generación de herramientas de astronomía solar, estamos finalmente en condiciones de prepararnos científicamente para el inevitable desastre.

Durante décadas, hemos evitado la ruina de nuestra infraestructura moderna solo por pura suerte. Un evento a nivel de Carrington, si nos golpeara por sorpresa, sin duda causaría daños por valor de billones de dólares en todo el mundo. Con el advenimiento de estos nuevos observatorios centrados en la heliofísica, dirigidos por el Telescopio Solar Daniel K. Inouye de la NSF , finalmente tendremos la oportunidad de saber cuándo llegará "el grande".


Ethan Siegel agradece a Claire Raftery, Thomas Rimmele y (especialmente) Valentin Pillet por sus útiles debates y entrevistas sobre astronomía solar y DKIST.

#Cosmology Science, escritor, astrofísico, comunicador científico y columnista de la NASA.

ESCRITO POR




Ethan Siegel