En sus dos primeros sobrevuelos del sol, El instrumento IS? IS de Princeton a bordo de la sonda solar Parker detectó una sorprendente variedad de actividades mediante partículas energéticas solares:los electrones enérgicos, protones y otros iones que vuelan antes del viento solar, que pueden interrumpir los viajes espaciales y las comunicaciones en la Tierra. Las observaciones son solo el comienzo de las exploraciones de cómo se forman estos eventos de partículas, hallazgos que arrojarán luz sobre cuestiones más amplias sobre el sol, clima espacial y rayos cósmicos. Una de las mayores amenazas del sol:para los astronautas y los satélites que proporcionan mapas GPS, servicio de telefonía celular y acceso a Internet:son partículas de alta energía que brotan del sol en ráfagas. Arriba:el 17 de noviembre, 2018, el día 321 de ese año, El IS? IS de Parker Solar Probe observó una explosión de protones de alta energía, cada uno con más de 1 millón de electronvoltios de energía. Los colores más cálidos (amarillo, naranja, rojo) representan un aumento en el número de estas partículas de alta energía que golpean los sensores IS? IS. Abajo:representación de un artista de uno de estos eventos de partículas energéticas. Crédito:Jamey Szalay y David McComas; Adaptado con permiso de D.J. McComas y col., Naturaleza 575:7785 (2019)
Los estallidos de partículas energéticas que salen del sol y pueden interrumpir las comunicaciones espaciales pueden ser incluso más variados y numerosos de lo que se pensaba anteriormente. según los resultados del sobrevuelo más cercano del sol.
Los nuevos hallazgos, que nos ayudan a comprender la actividad del sol y, en última instancia, podrían proporcionar una advertencia temprana de tormentas solares, provienen de una de las cuatro suites de instrumentos a bordo de la sonda solar Parker de la NASA, una nave espacial que ha completado sus primeros pasos cerca del orbe de fuego. Los resultados de las cuatro suites aparecen hoy en un conjunto de artículos publicados en la revista. Naturaleza .
El hallazgo de que estos eventos de partículas energéticas son más variados y numerosos de lo que se conocía anteriormente fue uno de los varios descubrimientos realizados por el conjunto de instrumentos conocido como Investigación Científica Integrada del Sol (ISOIS). un proyecto liderado por la Universidad de Princeton que involucra a múltiples instituciones así como a la NASA.
"Este estudio marca un hito importante con el reconocimiento de la humanidad del entorno cercano al sol, "dijo David McComas, el investigador principal del conjunto de instrumentos ISOIS, profesor de ciencias astrofísicas de Princeton y vicepresidente del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. "Proporciona las primeras observaciones directas del entorno de partículas energéticas en la región justo por encima de la atmósfera superior del sol, la corona.
"Ver estas observaciones ha sido un momento eureka continuo, '", Dijo McComas." Siempre que recibimos nuevos datos de la nave espacial, estamos presenciando algo que nadie ha visto antes. ¡Eso es tan bueno como parece! "
ISOIS busca descubrir cómo las partículas se mueven tan rápido, y qué los empuja a acelerar. Los científicos que buscan estas respuestas incluyen a miembros del equipo ISOIS en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hopkins (APL), Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Laboratorio de propulsión a chorro de la NASA, la Universidad de New Hampshire, Instituto de Investigaciones del Suroeste, la Universidad de Delaware y la Universidad de Arizona, así como colaboradores de la Universidad de California-Berkeley, Colegio Imperial de Londres, la Universidad de Michigan, Observatorio Astrofísico Smithsoniano y Centro Nacional de Investigación Científica de Francia.
Las partículas de alta energía pueden interrumpir las comunicaciones y los satélites de los sistemas de posicionamiento global (GPS). Estas corrientes de partículas, compuesto principalmente por protones, tiene dos fuentes. El primero es de fuera de nuestro sistema solar, generado cuando las estrellas en explosión liberan corrientes de partículas conocidas como rayos cósmicos. El otro es nuestro sol. Ambos pueden dañar los sistemas eléctricos de las naves espaciales y son formas de radiación que pueden dañar la salud de los astronautas.
Estas partículas energéticas vuelan mucho más rápido que el viento solar, que es el flujo de aproximadamente un millón de millas por hora de gas caliente cargado eléctricamente que sale del sol. Si el viento solar fuera una corriente, las partículas energéticas serían peces que saltan y se adelantan a la corriente. Las partículas viajan a lo largo de caminos, llamados tubos de flujo magnético, que se extienden desde la corona hacia el viento solar.
Durante las dos primeras órbitas de Parker Solar Probe, IS? IS detecta muchos eventos de partículas energéticas pequeñas, estallidos solares durante los cuales las tasas de partículas que salen del sol aumentaron rápidamente. En ISOIS, el instrumento Epi-Lo mide partículas en decenas de miles de electronvoltios, mientras que Epi-Hi mide partículas con millones a cientos de millones de electrón-voltios. (Para referencia, la electricidad en su casa es de 120 voltios.) Aquí, Los datos de las órbitas 1 (izquierda) y 2 (derecha) muestran las tasas de recuento de partículas IS? IS superpuestas como tiras de color a lo largo de la línea negra que representa la trayectoria de Parker Solar Probe. Las tasas de energía más bajas ("Lo") se encuentran en el interior de la pista, mientras que las tasas de energía más altas ("Hi") se ejecutan en el exterior. Tanto el tamaño como el color corresponden a las tasas medidas, de modo que las barras rojas grandes indican las ráfagas más grandes, cuando el sol liberó la mayoría de las partículas en poco tiempo. Crédito:Jamey Szalay y David McComas; Adaptado con permiso de D.J. McComas y col., Naturaleza 575:7785 (2019)
Comprender estas partículas podría mejorar los pronósticos del clima espacial y dar una alerta temprana de las tormentas masivas que pueden interrumpir las comunicaciones terrestres y los viajes espaciales.
"La respuesta a las preguntas sobre cómo se forman y aceleran las partículas energéticas es increíblemente importante, "dijo Ralph McNutt, quien supervisó la construcción de la energía inferior de los dos instrumentos de la suite y es científico jefe del Sector de Exploración Espacial de APL. "Estas partículas afectan nuestras actividades en la Tierra y nuestra capacidad para llevar a nuestros astronautas al espacio. Estamos haciendo historia con esta misión".
Debido a su velocidad, las partículas actúan como una señal de alerta temprana para el clima espacial, dijo Jamey Szalay, investigador asociado en el Departamento de Ciencias Astrofísicas de Princeton que dirige los esfuerzos de visualización de datos para ISOIS. "Estas partículas se mueven rápido, así que si hay una gran tormenta solar en camino, estas partículas son los primeros indicadores ".
La mayoría de los estudios previos de partículas energéticas solares se basaron en detectores ubicados en el espacio aproximadamente a la misma distancia del Sol que la Tierra, a 93 millones de millas del sol. Para cuando las partículas lleguen a esos detectores, es difícil rastrear de dónde vienen, porque las partículas de diversas fuentes han interactuado y mezclado.
"Es un poco como los autos que vienen de túneles y puentes abarrotados y se extienden hacia las carreteras interestatales, ", Dijo McComas." Se vuelven más rápidos a medida que se alejan, pero también se mezclan e interactúan de maneras que es imposible saber quién vino y de dónde a medida que se aleja cada vez más de las fuentes ".
En sus primeros viajes alrededor del sol, la sonda solar Parker viajó dos veces más cerca del sol que cualquier nave espacial anterior. En su punto más cercano, la nave espacial tenía 14 millones de millas, o 35 radios solares, que está a 17,5 anchos del sol, desde la superficie ardiente.
Acercarse al sol es esencial para desentrañar cómo se forman estas partículas y obtienen altas energías. dijo Eric Christian, el investigador principal adjunto en ISOIS y un científico investigador senior en NASA Goddard. "Es como intentar medir lo que está sucediendo en una montaña mediante el estudio de la base de la montaña. Para saber qué está sucediendo, tienes que ir donde está la acción:tienes que subir a la montaña ".
Una posible preocupación de los investigadores era que el ciclo de actividad de 11 años del sol se encuentra actualmente en un nivel mínimo. Pero el bajo nivel de actividad resultó ser una ventaja.
El panel superior muestra un esquema de una eyección de masa coronal (CME), durante el cual una explosión de masa tan grande como el lago Michigan es expulsada del sol. Estos pueden representar un peligro para los astronautas y los satélites espaciales, pero los científicos de ISOIS descubrieron que pequeñas partículas energéticas se precipitan por delante de la masa expulsada, proporcionando una advertencia anticipada de la amenaza entrante. El panel inferior muestra los flujos de protones detectados por el EPI-Lo de IS? IS (arriba) y las mediciones del campo magnético (abajo) alrededor del tiempo de una CME observada. Las partículas energéticas alcanzaron Parker Solar Probe casi un día antes de la masa expulsada. Crédito:Jamey Szalay y David McComas; Adaptado con permiso de N.J. Fox et al, Space Science Reviews 204:7 (2016) y D.J. McComas y col., Naturaleza 575:7785 (2019)
"El hecho de que el sol estuviera tranquilo nos permitió analizar eventos que son extremadamente aislados, "dijo Nathan Schwadron, profesor de física y astronomía y director del centro de operaciones científicas ISOIS en la Universidad de New Hampshire. "Estos son eventos que no se han visto desde más lejos porque simplemente son golpeados por la actividad del viento solar".
Durante sus dos primeras órbitas, ISOIS observó varios fenómenos fascinantes. Uno fue un estallido de actividad de partículas energéticas que coincidió con una eyección de masa coronal, una violenta erupción de partículas energizadas y magnetizadas de la corona. Antes de la expulsión, ISOIS detectó una acumulación de partículas de energía relativamente baja, mientras que después de la eyección hubo una acumulación de partículas de alta energía. Estos eventos fueron pequeños y no detectables desde la órbita de la Tierra.
Otra observación de ISOIS fue la actividad de partículas que indica una especie de atasco de tráfico de viento solar, que sucede cuando el viento solar se ralentiza repentinamente, haciendo que el viento solar de rápido movimiento se acumule detrás de él y forme una región comprimida de partículas. Esta acumulación que los astrofísicos llaman una región de interacción co-rotante, occurred out beyond Earth's orbit and sent high energy particles back toward the sun where they were observed by ISOIS.
Researchers are eager to understand the mechanisms by which the sun accelerates particles to high speeds. ISOIS's detection of each particle's identity—whether it is hydrogen, helio, carbón, oxígeno, iron or another element—will help researchers further explore this question.
"There are two kinds of acceleration mechanisms, one that occurs in solar flares when magnetic fields reconnect, and another that occurs when you get shocks and compressions of the solar wind, but the details of how they cause particle acceleration are not that well understood, " said Mark Wiedenbeck, a principal scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory, who oversaw the development of the higher energy instrument in the ISOIS suite. "The composition of the particles is a key diagnostic to tell us the acceleration mechanism."
ISOIS made its third brush by the sun on Sept. 1, and will make its next on Jan. 29, 2020. As the mission continues, the satellite will make a total of 24 orbits, each time getting closer to the solar surface, until it is roughly five sun-widths from the star. The researchers hope that future flybys will reveal insights into the source of the energetic particles. Do they start as "seed particles" that go on to attain higher energies?
Jamie Sue Rankin, a postdoctoral researcher at Princeton working in the McComas group, began working on the higher energy ISOIS instrument as a graduate student at Caltech.
"It has been neat to see this whole process develop over the past decade, " Rankin said. "It is like surfing a wave:We built these instruments, made sure they were working, made adjustments to make sure the calibrations were right—and now comes the exciting part, answering the questions that we set out to address.
"With any spacecraft, when you go out into space, you think you know what to expect, but there are always wonderful surprises that complicate our lives in the best way, " she said. "That is what keeps us doing what we do."
