Un gráfico que describe los resultados de Martínez-Sykora et al. Crédito:Carla Schaffer / AAAS
En cualquier momento dado, hasta 10 millones de chorros salvajes de material solar brotaron de la superficie del sol. Entran en erupción tan rápido como 60 millas por segundo, y puede alcanzar longitudes de 6, 000 millas antes de colapsar. Estas son espículas, y a pesar de su abundancia como hierba, los científicos no entendieron cómo se forman. Ahora, por primera vez, una simulación por computadora, tan detallada que tardó un año completo en ejecutarse, muestra cómo se forman las espículas, ayudando a los científicos a comprender cómo las espículas pueden liberarse de la superficie del sol y elevarse tan rápidamente.
Este trabajo se basó en observaciones de alta cadencia del espectrógrafo de imágenes de la región de interfaz de la NASA, o IRIS, y el telescopio solar sueco de 1 metro en La Palma, en Canarias. Juntos, la nave espacial y el telescopio se asoman a las capas inferiores de la atmósfera del sol, conocida como la región de interfaz, donde se forman las espículas. Los resultados de este estudio financiado por la NASA se publicaron en Ciencias el 22 de junio 2017:una época especial del año para la misión IRIS, que celebra su cuarto aniversario en el espacio el 26 de junio.
"Los modelos numéricos y las observaciones van de la mano en nuestra investigación, "dijo Bart De Pontieu, autor del estudio y director científico de IRIS en el Laboratorio de Astrofísica y Solar Lockheed Martin, en Palo Alto, California. "Comparamos observaciones y modelos para averiguar qué tan bien funcionan nuestros modelos, y mejorar los modelos cuando vemos grandes discrepancias ".
La observación de espículas ha sido un problema espinoso para los científicos que desean comprender cómo la materia y la energía solares se mueven a través del sol y se alejan del mismo. Las espículas son transitorias, formando y colapsando en el transcurso de solo cinco a 10 minutos. Estas tenues estructuras también son difíciles de estudiar desde la Tierra, donde la atmósfera a menudo empaña la visión de nuestros telescopios.
En la extremidad del sol, muchos chorros disparan desde la superficie, como se muestra en la imagen superior tomada con el espectrógrafo IRIS de la NASA. En el panel del medio, Se muestra un modelo numérico capaz de simular estos chorros. En la imagen inferior tomada con el telescopio solar sueco de 1 m en el Roque de los Muchachos (La Palma, España), Los chorros que se observan en el centro del disco del Sol parecen estructuras de filamentos delgados de corta vida que se ven en la posición azul desplazada en el espectro, ya que se acercan a nosotros. Crédito:espectrógrafo IRIS de la NASA, Código Bifrost desarrollado en la Universidad de Oslo, y el telescopio solar sueco de 1 m en el Roque de los Muchachos (La Palma, España)
Un equipo de científicos ha estado trabajando en este modelo en particular durante casi una década, intentando una y otra vez crear una versión que creara espículas. Las versiones anteriores del modelo trataban la región de la interfaz, la atmósfera solar inferior, como un gas caliente de partículas cargadas eléctricamente, o más técnicamente, un plasma completamente ionizado. Pero los científicos sabían que faltaba algo porque nunca vieron espículas en las simulaciones.
La clave, los científicos se dieron cuenta, eran partículas neutras. Se inspiraron en la propia ionosfera de la Tierra, una región de la atmósfera superior donde las interacciones entre partículas neutras y cargadas son responsables de muchos procesos dinámicos.
El equipo de investigación sabía que en las regiones más frías del sol, como la región de la interfaz, no todas las partículas de gas están cargadas eléctricamente. Algunas partículas son neutras, y las partículas neutras no están sujetas a campos magnéticos como lo están las partículas cargadas. Los científicos habían basado modelos anteriores en un plasma completamente ionizado para simplificar el problema. En efecto, Incluir las partículas neutras necesarias era muy costoso computacionalmente, y el modelo final tardó aproximadamente un año en ejecutarse en la supercomputadora Pléyades ubicada en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, y que apoya cientos de proyectos de ciencia e ingeniería para misiones de la NASA.
El modelo comenzó con una comprensión básica de cómo se mueve el plasma en la atmósfera del sol. Convección constante, o hirviendo, de material en todo el sol genera islas de campos magnéticos enredados. Cuando la ebullición los lleva a la superficie y más lejos en la atmósfera inferior del sol, las líneas del campo magnético vuelven a colocarse rápidamente en su lugar para resolver la tensión, expulsando plasma y energía. De esta violencia nace una espícula. Pero explicar cómo estos complejos nudos magnéticos se elevan y se rompen fue la parte complicada.
"Por lo general, los campos magnéticos están estrechamente acoplados a partículas cargadas, "dijo Juan Martínez-Sykora, autor principal del estudio y físico solar en Lockheed Martin y el Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía en Sonoma, California. "Con solo partículas cargadas en el modelo, los campos magnéticos estaban atascados, y no podía elevarse más allá de la superficie del sol. Cuando agregamos neutrales, los campos magnéticos podrían moverse con mayor libertad ".
Las partículas neutras proporcionan la flotabilidad que los nudos nudosos de energía magnética necesitan para elevarse a través del plasma hirviente del sol y alcanzar la cromosfera. Allí, se rompen en espículas, liberando tanto plasma como energía. La fricción entre iones y partículas neutras calienta el plasma aún más, tanto dentro como alrededor de las espículas.
En la extremidad del sol, muchos chorros disparan desde la superficie, como se muestra en la imagen superior tomada con el espectrógrafo IRIS de la NASA. En el panel del medio, a numerical model is shown able to simulate these jets. In the bottom image taken with the Swedish 1-m Solar Telescope at the Roque de los Muchachos (La Palma, Spain), the jets are observed in the disc center of the Sun look like shortlived thin filament structures with seen at the blue shifted position in the spectrum since they are coming towards us. Credit:NASA IRIS spectrograph, Bifrost code developed at the University of Oslo, and Swedish 1-m Solar Telescope at the Roque de los Muchachos (La Palma, Spain)
With the new model, the simulations at last matched observations from IRIS and the Swedish Solar Telescope; spicules occurred naturally and frequently. The 10 years of work that went into developing this numerical model earned scientists Mats Carlsson and Viggo H. Hansteen, both authors of the study from the University of Oslo in Norway, the 2017 Arctowski Medal from the National Academy of Sciences. Martínez-Sykora led the expansion of the model to include the effects of neutral particles.
The scientists' updated model revealed something else about how energy moves in the solar atmosphere. It turns out this whip-like process also naturally generates Alfvén waves, a strong kind of magnetic wave scientists suspect is key to heating the sun's atmosphere and propelling the solar wind, which constantly bathes our solar system and planet with charged particles from the sun.
"This model answers a lot of questions we've had for so many years, " De Pontieu said. "We gradually increased the physical complexity of numerical models based on high-resolution observations, and it is really a success story for the approach we've taken with IRIS."
The simulations indicate spicules could play a big role in energizing the sun's atmosphere, by constantly forcing plasma out and generating so many Alfvén waves across the sun's entire surface.
"This is a major advance in our understanding of what processes can energize the solar atmosphere, and lays the foundation for investigations with even more detail to determine how big of a role spicules play, " said Adrian Daw, IRIS mission scientist at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "A very nice result on the eve of our launch anniversary."
