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    Los observatorios alrededor del sistema solar se unen para estudiar la influencia de los soles

    Ilustración de Parker Solar Probe acercándose al sol. Crédito:NASA / Johns Hopkins APL / Steve Gribben

    En el corazón de la comprensión de nuestro entorno espacial está el conocimiento de que las condiciones en todo el espacio, desde el sol hasta las atmósferas de los planetas y el entorno de radiación en el espacio profundo, están conectadas.

    Estudiar esta conexión, un campo de la ciencia llamado heliofísica, es una tarea compleja:los investigadores rastrean erupciones repentinas de material, radiación, y partículas en el contexto del flujo omnipresente de material solar.

    Una confluencia de eventos a principios de 2020 creó un laboratorio espacial casi ideal, combinando la alineación de algunos de los mejores observatorios de la humanidad, incluido Parker Solar Probe, durante su cuarto sobrevuelo solar, con un período de tranquilidad en la actividad del sol, cuando es más fácil estudiar esas condiciones de fondo. Estas condiciones brindaron una oportunidad única para que los científicos examinen cómo el sol influye en las condiciones en puntos a lo largo del espacio. con múltiples ángulos de observación y a diferentes distancias del sol.

    El sol es una estrella activa cuyo campo magnético se extiende por todo el sistema solar, transportado dentro de la constante salida de material del sol llamado viento solar. Afecta a las naves espaciales y da forma a los entornos de los mundos de todo el sistema solar. Hemos observado el sol espacio cerca de la Tierra y otros planetas, e incluso los bordes más distantes de la esfera de influencia del sol durante décadas. Y 2018 marcó el lanzamiento de un nuevo Observatorio revolucionario:Parker Solar Probe, con un plan para volar en última instancia a unos 3,83 millones de millas de la superficie visible del sol.

    Parker ha tenido ahora cuatro encuentros cercanos con el sol. (Los datos de los primeros encuentros de Parker con el sol ya han revelado una nueva imagen de su atmósfera). Durante su cuarto encuentro solar, que abarca partes de enero y febrero de 2020, la nave espacial pasó directamente entre el sol y la Tierra. Esto les dio a los científicos una oportunidad única:el viento solar que Parker Solar Probe midió cuando estaba más cerca del sol lo haría, días después, llegar a la tierra, donde el viento en sí y sus efectos podrían medirse tanto por naves espaciales como por observatorios terrestres. Es más, Los observatorios solares en y cerca de la Tierra tendrían una vista clara de las ubicaciones en el sol que produjeron el viento solar medido por Parker Solar Probe.

    "Sabemos por los datos de Parker que hay ciertas estructuras que se originan en la superficie solar o cerca de ella. Necesitamos observar las regiones de origen de estas estructuras para comprender completamente cómo se forman, evolucionar, y contribuir a la dinámica del plasma en el viento solar, "dijo Nour Raouafi, científico del proyecto para la misión Parker Solar Probe en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland. "Los observatorios terrestres y otras misiones espaciales proporcionan observaciones de apoyo que pueden ayudar a dibujar una imagen completa de lo que Parker está observando".

    Esta secuencia animada de imágenes de luz visible del instrumento WISPR de Parker Solar Probe muestra una serpentina coronal, observado cuando Parker Solar Probe estaba cerca del perihelio el 28 de enero, 2020.Crédito:NASA / Johns Hopkins APL / Naval Research Lab / Parker Solar Probe

    Esta alineación celeste sería de interés para los científicos bajo cualquier circunstancia, pero también coincidió con otro período astronómico de interés para los científicos:el mínimo solar. Este es el punto durante la regularidad del sol, ciclos de actividad de aproximadamente 11 años cuando la actividad solar está en su nivel más bajo, por lo que las erupciones repentinas en el sol, como las erupciones solares, Las eyecciones de masa coronal y los eventos de partículas energéticas son menos probables. Y eso significa que estudiar el sol cerca del mínimo solar es una bendición para los científicos que pueden observar un sistema más simple y así desenredar qué eventos causan qué efectos.

    "Este período proporciona las condiciones perfectas para rastrear el viento solar desde el sol hasta la Tierra y los planetas, "dijo Giuliana de Toma, un científico solar en el Observatorio de Gran Altitud en Boulder, Colorado, quien lideró la coordinación entre observatorios para esta campaña de observación. "Es un momento en el que podemos seguir el viento solar más fácilmente, ya que no tenemos perturbaciones del sol ".

    Por décadas, Los científicos han reunido observaciones durante estos períodos de mínimo solar, un esfuerzo codirigido por Sarah Gibson, un científico solar en el Observatorio de Gran Altitud, y otros científicos. Para cada uno de los últimos tres períodos de mínimos solares, Los científicos combinaron observaciones de una lista cada vez mayor de observatorios en el espacio y en el suelo, con la esperanza de que la gran cantidad de datos sobre el viento solar inalterado revele nueva información sobre cómo se forma y evoluciona. Para este período mínimo solar, Los científicos comenzaron a recopilar observaciones coordinadas a principios de 2019 bajo el paraguas de Whole Heliosphere and Planetary Interactions, o WHPI para abreviar.

    Esta campaña particular de WHPI comprendió una franja de observaciones más amplia que nunca:cubriendo no solo el sol y los efectos en la Tierra, pero también datos recopilados en Marte y la naturaleza del espacio en todo el sistema solar, todo en conjunto con el cuarto y más cercano sobrevuelo del sol de Parker Solar Probe.

    Los organizadores de la WHPI reunieron a observadores de todo el mundo y más allá. La combinación de datos de docenas de observatorios en la Tierra y en el espacio brinda a los científicos la oportunidad de pintar lo que podría ser la imagen más completa del viento solar:a partir de imágenes de su nacimiento con telescopios solares, a las muestras poco después de que sale al sol con Parker Solar Probe, a observaciones multipunto de su estado cambiante en todo el espacio.

    Siga leyendo para ver muestras de los tipos de datos capturados durante esta colaboración internacional de observatorios solares y espaciales.

    Los datos del Observatorio Solar Mauna Loa en Hawai muestran un chorro de material que se eyecta cerca del polo sur del Sol el 21 de enero. 2020 (UTC). Esta imagen de diferencia se crea restando los píxeles de la imagen anterior de la imagen actual para resaltar los cambios. Crédito:Observatorio Solar Mauna Loa / K-Cor

    Sonda solar Parker

    Los primeros datos del paso cercano del sol de Parker Solar Probe durante la campaña WHPI muestran un sistema de viento solar más dinámico que lo que se ve en las observaciones cerca de la Tierra. En particular, Los científicos esperan que el conjunto completo de datos, con enlace descendente a la Tierra en mayo de 2020, revele estructuras dinámicas, como pequeñas eyecciones de masa coronal y cuerdas de flujo magnético en sus primeras etapas de desarrollo, eso no se puede ver con otros observatorios mirando desde más lejos. Conectando estructuras como esta, anteriormente demasiado pequeño o demasiado distante para ver, con el viento solar y las mediciones cercanas a la Tierra pueden ayudar a los científicos a comprender mejor cómo cambia el viento solar a lo largo de su vida y cómo sus orígenes cerca del sol afectan su comportamiento en todo el sistema solar.

    Observatorio Solar Mauna Loa

    Las vistas en primer plano de Parker Solar Probe de las estructuras de viento solar se complementan con observatorios solares en la Tierra y en el espacio, que tienen un campo de visión más grande para capturar estructuras de viento solar.

    Los datos del Observatorio Solar Mauna Loa en Hawai muestran un chorro de material que se eyecta cerca del polo sur del sol el 21 de enero. 2020. Los chorros coronales como este son una característica del viento solar que los científicos esperan observar más de cerca con Parker Solar Probe. ya que los mecanismos que los crean podrían arrojar más luz sobre el nacimiento y la aceleración del viento solar.

    "Sería muy afortunado si Parker Solar Probe observara este chorro, ya que proporcionaría información sobre el plasma y el campo dentro y alrededor del chorro poco después de su formación, "dijo Joan Burkepile, científico principal del instrumento coronógrafo K del Observatorio de Magnetismo Solar Coronal en el Observatorio Solar de Mauna Loa, que capturó estas imágenes.

    Observatorio de Relaciones Terrestres y Solares de la NASA, o ESTÉREO, tomó imágenes adicionales con tiempos de exposición más largos para mejorar las vistas de la estructura en el viento solar. Estas imágenes de diferencia, del 21 al 23 de enero, 2020, se crean restando los píxeles de una imagen anterior de la imagen actual para resaltar los cambios. Crédito:NASA / STEREO

    Observatorio de Relaciones Solares y Terrestres

    Junto con las observaciones del viento solar de Parker Solar Probe y cerca de la Tierra, los científicos también tienen imágenes detalladas del sol y su atmósfera de naves espaciales como el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA y el Observatorio de Relaciones Solares y Terrestres. Observatorio de Relaciones Terrestres y Solares de la NASA, o ESTÉREO, tiene una vista distinta del sol desde su punto de vista a unos 78 grados de la Tierra.

    Durante esta campaña WHPI, los científicos aprovecharon este ángulo de visión único. From Jan. 21-23—when Parker Solar Probe and STEREO were aligned—the STEREO mission team increased the exposure length and frequency of images taken by its coronagraph, revealing fine structures in the solar wind as they speed out from the sun.

    These difference images are created by subtracting the pixels of a previous image from the current image to highlight changes—here, revealing a small CME that would otherwise be difficult to see.

    The Solar Dynamics Observatory, o SDO, takes high-resolution views of the entire sun, revealing fine details on the solar surface and the lower solar atmosphere. These images were captured in a wavelength of extreme ultraviolet light at 171 Angstroms, highlighting the quiet parts of the sun's outer atmosphere, la corona. This data—along with SDO's images in other wavelengths—maps much of the sun's activity, allowing scientists to connect solar wind measurements from Parker Solar Probe and other spacecraft with their possible origins on the sun.

    Modeling the Data

    NASA's Solar Dynamics Observatory keeps a constant eye on the Sun. Estas imagenes, captured in a wavelength of extreme ultraviolet light, span Jan. 15 – Feb. 11, 2020. Credit:NASA/SDO

    Idealmente, scientists could use these images to readily pinpoint the region on the sun that produced a particular stream of solar wind measured by Parker Solar Probe—but identifying the source of any given solar wind stream observed by a spacecraft is not simple. En general, the magnetic field lines that guide the solar wind's movement flow out of the Northern half of the sun point in the opposite direction than they do in the Southern half. In early 2020, Parker Solar Probe's position was right at the boundary between the two—an area known as the heliospheric current sheet.

    "For this perihelion, Parker Solar Probe was very close to the current sheet, so a little nudge one way or the other would make the magnetic footpoint shift to the south or north pole, " said Nick Arge, a solar scientist at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "We were on the tipping point where sometimes it went north, sometimes south."

    Predicting which side of the tipping point Parker Solar Probe was on was the responsibility of the modeling teams. Using what we know about the sun's magnetic field and the clues we can glean from distant images of the sun, they made day-by-day predictions of where, precisely, on the sun birthed the solar wind that Parker would fly through on a given day. Several modeling groups made daily attempts to answer just that question.

    Using measurements of the magnetic field at the sun's surface, each group made a daily prediction for the source region producing the solar wind that Parker Solar Probe was flying through.

    Arge worked with Shaela Jones, a solar scientist at NASA Goddard who did daily forecasting during the WHPI campaign, using a model originally developed by Arge and colleagues Yi-Ming Wang and Neil Sheeley, called the WSA model. According to their forecasts, the predicted source of the solar wind switched between hemispheres suddenly during the observation campaign, because Earth's orbit at the time was also closely aligned with the heliospheric current sheet—that region where the direction of magnetic polarity and the source of the solar wind switches between north and south. They predicted that Parker Solar Probe, flying in a similar plane as Earth, would experience similar switches in solar wind source and magnetic polarity as it flew near the sun.

    Solar wind models rely on daily measurements of the sun's surface magnetic field—the black and white image underlaid. This particular model used measurements from the National Solar Observatory's Global Oscillation Network Group and a model that focuses on predicting how the sun's surface magnetic field will change over several days. Creating these magnetic surface maps is a complicated and imperfect process unto itself, and some of the modeling groups participating in the WHPI campaign also used magnetic measurements from multiple observatories. Esta, along with differences in each group's models, created a spread of predictions that sometimes placed the source of Parker Solar Probe's solar wind stream in two different hemispheres of the sun. But given the inherent uncertainty in modeling the solar wind's source, these different predictions can actually make for more robust operations.

    The sun's "open" magnetic field — shown in this model in blue and red, with looped or closed field shown in yellow — primarily comes from near the Sun's north and south poles during solar minimum, but it spreads out to fill space converging near the Sun's equator. Credit:NASA/Nick Arge

    "If you can observe the sun in two different places with two telescopes, you have a better chance to get the right spot, "dijo Jones.

    Poker Flat Incoherent Scatter Radar

    The solar wind carries with it both an enormous amount of energy and the embedded magnetic field of the sun. When it reaches Earth, it can ring our planet's natural magnetic field like a bell, making it bend and deform—which produces a measurable change in magnetic field strength at certain points on Earth's surface. We track those changes because magnetic field oscillations can lead to a host of space weather effects that interfere with spacecraft or even, de vez en cuando, utility grids on the ground.

    A host of ground-based magnetometers have tracked these effects since the 1850s, and they're one of the many sets of data scientists are gathering in connection with this campaign. Other ground-based instruments can reveal the invisible effects of space weather in our atmosphere. One such system is the Poker Flat Incoherent Scatter Radar, or PFISR—a radar system based at the Poker Flat Research Range near Fairbanks, Alaska.

    This radar is specially tuned to detect one of most reliable indicators of a disturbance in Earth's magnetic field:electrons in Earth's upper atmosphere. These electrons are created when particles trapped in the magnetosphere are sent zooming into Earth's atmosphere by a complex series of events, a set of circumstances known as a magnetospheric substorm.

    On Jan. 16, PFISR measured the changing electrons in Earth's upper atmosphere during one such substorm. During a substorm, particles cascade into the upper atmosphere, not only creating the shower of electrons measured by the radar, but driving a more visible effect:the aurora. PFISR uses multiple beams of radar oriented in different directions, which allowed scientists to build up a three-dimensional picture of how electrons in the atmosphere changed throughout the substorm.

    This model run — produced by Nick Arge and Shaela Jones using the WSA model — illustrates the predicted origin for solar wind that will impact Earth days later, spanning Jan. 10 – Feb. 3, 2020. The colored regions near the sun's north and south poles show the regions from which the solar wind flows out, with red regions showing a faster flow and blue regions showing a slower flow. The yellow lines on the sun divide areas of opposite magnetic polarity. The white lines indicate the predicted points of origin for the solar wind arriving at Earth at the given date. The black and white underlaid image shows a map of the magnetic field at the sun's surface, the basis for the model's predictions. The black regions are where the magnetic field points inward, toward the sun, and white regions are where the field points outward, lejos del Sol. Credit:NASA/Nick Arge/Shaela Jones

    Because this substorm took place so early in the observation campaign—only one day after data collection began—it's unlikely that it was caused by conditions on the sun observed during the campaign. Pero aun así, the connection between magnetospheric substorms and the broader, global-scale effects created by the solar wind—called geomagnetic storms—isn't entirely understood.

    "This substorm didn't happen during a geomagnetic storm time, " said Roger Varney, principal investigator for PFISR at SRI International in Menlo Park, California. "The solar wind during this event is fluctuating, but not particularly strongly—it's basically background noise. But solar wind is basically never steady; it's constantly putting some energy into the magnetosphere."

    This deposit of energy into Earth's magnetic system has far-reaching effects:for one, changes in the composition and density of Earth's upper atmosphere can garble communications and navigation signals, an effect often characterized by total electron content. Changes in density can also affect the orbits of satellites to great degree, introducing uncertainty about precise position.

    MAVEN

    Earth isn't the only planet where the solar wind has measurable effects—and studying other worlds in our solar system can help scientists understand some of the solar wind's effects on Earth and how it influenced the evolution of Earth and other worlds throughout the solar system's history.

    En Marte, the solar wind coupled with Mars' lack of a global magnetic field may be a major factor in the dry, barren world the Red Planet is today. Though Mars was once much like Earth—warm, with liquid water and a thick atmosphere—the planet has changed drastically over the course of its four-billion-year history, with most of its atmosphere being stripped away to space. With similar processes observed here on Earth, scientists leverage understanding of solar-planetary interactions at Mars to determine how processes leading to atmospheric escape has the ability to change whether a planet is habitable or not. Hoy dia, the Mars Atmosphere and Volatile Evolution mission, or MAVEN, studies these processes at Mars. MAVEN observations at Mars are available for this latest WHPI campaign.

    The Poker Flat Incoherent Scatter Radar in Poker Flat, Alaska, makes 3-D measurements of electrons in Earth's upper atmosphere. These electrons are produced by the same process that produces aurora, seen here by the Poker Flat All-Sky Camera, which images aurora over Alaska, on Jan. 16, 2020. Credit:Poker Flat Incoherent Scatter Radar (NSF)/Poker Flat All-Sky Camera (University of Alaska Fairbanks)/Don Hampton

    Over the coming months, heliophysicists around the world will begin to study data from these observatories in depth, hoping to draw connections that reveal new knowledge about the sun and its changes that influence Earth and space across the solar system.

    Parker Solar Probe is part of the NASA Heliophysics Living with a Star program to explore aspects of the sun-Earth system that directly affect life and society. El programa Living with a Star es administrado por el Goddard Space Flight Center de la agencia en Greenbelt, Maryland, para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. The Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, diseñado, built and operates the spacecraft and manages the mission for NASA.


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