Los científicos han identificado lo que pasa en el corazón de una erupción solar, lo que permitirá investigar los procesos de aceleración de partículas del universo y prevenir potenciales impactos solares en las telecomunicaciones terrestres.

El Sol es un gigantesco reactor nuclear cargado eléctricamente, rodeado por un halo de plasma que ocasionalmente arroja un chorro de radiación al espacio en forma de erupción solar.

Las erupciones solares se encuentran entre las explosiones más violentas de nuestro sistema solar, pero a pesar de su inmensa energía, equivalente a cien mil millones de bombas atómicas detonando a la vez, los físicos aún no han podido conocer exactamente cómo estas repentinas erupciones en el Sol son capaces de lanzar partículas a la Tierra, a 150 millones de kilómetros de distancia, en menos de una hora.

Ahora, en un estudio publicado en Nature, investigadores del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey (NJIT) han analizado las observaciones de una erupción solar que ocurrió hace casi cinco años e identificado la ubicación precisa, dentro de una llamarada solar, donde las partículas cargadas se aceleran a una velocidad cercana a la de la luz.

El análisis del equipo sacó a la luz un proceso de conversión de energía increíblemente eficiente dentro del acelerador de partículas de la llamarada solar, donde la energía intensa de los campos magnéticos del Sol se libera rápidamente y se transfiere a energía cinética (de movimiento) dentro de la misma llamarada.

Energías supertérmicas

El estudio descubrió que, cerca de donde se producía la liberación más intensa de energía magnética dentro de la llamarada solar, se formó una región con límites definidos, en la que casi todos los electrones fueron acelerados a energías supertérmicas, explica al respecto la revista N+1.

Estas observaciones concuerdan con la idea de que las partículas se aceleran y se bloquean simultáneamente dentro de la llamarada solar, debido a las turbulencias del campo magnético.

Se cree que la causa de las erupciones solares son los procesos magnéticos que se suceden en las capas superficiales de la estrella: cuando las regiones de la superficie solar, con campos magnéticos dirigidos de manera opuesta, se acercan entre sí, las líneas del campo magnético se reconectan espontáneamente en nuevas configuraciones.

Como resultado de esta reconexión, se libera una parte de la energía magnética: provoca, entre otras cosas, la aceleración de las partículas cargadas, ubicadas en la región de reconexión.

Aunque ya existe una descripción teórica general de cómo nacen las erupciones, todavía no había una comprensión final de todos los detalles y características de tales procesos, algo en lo que ha profundizado la nueva investigación.

Vídeo de una llamarada solar: el cuadro de la derecha muestra la llamarada en el ultravioleta extremo (amarillo) el 10 de septiembre de 2017 y la ubicación donde se detectaron la mayoría de estos electrones acelerados (azul) durante esta investigación. El cuadro izquierdo muestra las distribuciones de los electrones térmicos (rojo) y acelerados (azul). Crédito: NJIT/CSTR; SDO/AIA de la NASA.

Energía caótica

El nuevo estudio, dirigido por Gregory Fleishman, utilizó datos recopilados por el telescopio solar EOVSA (Owens Valley Solar Array) en California el 10 de septiembre de 2017 durante cuatro minutos (15:57–16:01 UT) en el rango de microondas.

Usando estas observaciones y simulaciones numéricas, los investigadores rastrearon dos componentes del plasma de electrones en la región de la llamarada, añade N+1.

Uno de los componentes eran los electrones térmicos, es decir, los que retuvieron la distribución de energía típica del movimiento térmico caótico (hasta aproximadamente un kiloelectronvoltio por partícula).

El otro componente eran los electrones supertérmicos, que son los que se aceleraron significativamente debido a la energía liberada (más de 20 kiloelectronvoltios por partícula).

Como resultado del análisis, los físicos descubrieron en la región de la llamarada solar un volumen de unos 1,7 × 10 27 centímetros cúbicos (unas mil veces el volumen del Océano Mundial), en el que el componente térmico del plasma de electrones estaba prácticamente ausente, en comparación con el componente supertérmico.

Límites térmicos

Al mismo tiempo, los investigadores descubrieron que la región de la llamarada donde se producía la aceleración de partículas tenía límites claramente definidos con el plasma solar circundante, y que ese límite estaba establecido por el componente térmico.

Usando las medidas de la magnitud del campo magnético, los científicos descubrieron que las observaciones concuerdan con la suposición de que los electrones son acelerados a energías supertérmicas debido a un fuerte campo eléctrico (alrededor de 20 voltios por centímetro), que ocurre cuando la reconexión turbulenta de líneas magnéticas coincide con la liberación de energía de campo magnético.

Este campo magnético se volvió más intenso aproximadamente en la misma región donde se observó un aumento en la concentración de electrones supertérmicos: la tasa de cambio en la inducción magnética fue de aproximadamente 5 Gauss por segundo, señala N+1.

Los autores indican que los límites nítidos del volumen observados, en los que casi no hay electrones térmicos, no pueden ser accidentales: en ausencia de un mecanismo físico que proteja esta región de sus vecinos, los electrones supertérmicos se mezclan rápidamente con los térmicos.

Nuevas puertas

Los físicos enfatizan que tal razonamiento no es suficiente para fundamentar de manera convincente su descubrimiento y que se requieren simulaciones más detalladas.

No obstante, piensan que su descubrimiento podría abrir nuevas puertas para investigar procesos fundamentales de aceleración de partículas omnipresentes en el universo: podrían ayudar a estudiar preguntas fundamentales en la física de partículas que no son posibles en la Tierra, así como ofrecer nuevos conocimientos sobre cómo tales partículas de alta energía del Sol pueden impactar en la Tierra durante futuros eventos climáticos espaciales.

Enfatizan que es importante estudiar la naturaleza de las llamaradas incluso desde un punto de vista puramente práctico: algunas de ellas pueden causar fuertes tormentas geomagnéticas, interrumpir el funcionamiento de satélites y otros equipos e incluso producir núcleos radiactivos adicionales en nuestro planeta.

Referencia

Solar flare accelerates nearly all electrons in a large coronal volume. Gregory D. Fleishman et al. Nature (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04728-8