En 1610, Galileo rediseñó el telescopio y descubrió las cuatro lunas más grandes de Júpiter. Casi 400 años después, El telescopio espacial Hubble de la NASA utilizó su poderosa óptica para mirar profundamente en el espacio, lo que permitió a los científicos precisar la edad del universo.

Baste decir que observar mejor las cosas produce importantes avances científicos.

En un artículo publicado el 18 de julio en The Diario astrofísico , un equipo de científicos dirigido por Craig DeForest, físico solar de la sucursal del Southwest Research Institute en Boulder, Colorado:demuestre que esta tendencia histórica aún se mantiene. Usando algoritmos avanzados y técnicas de limpieza de datos, el equipo descubrió lo nunca antes detectado, estructuras de grano fino en la corona exterior, la atmósfera de un millón de grados del Sol, mediante el análisis de imágenes tomadas por la nave espacial STEREO de la NASA. Los nuevos resultados también proporcionan un presagio de lo que podría verse en la sonda solar Parker de la NASA. que tras su lanzamiento en el verano de 2018 orbitará directamente a través de esa región.

La corona exterior es la fuente del viento solar, la corriente de partículas cargadas que fluyen hacia afuera desde el Sol en todas direcciones. Medido cerca de la Tierra, los campos magnéticos incrustados dentro del viento solar están entrelazados y son complejos, pero las causas de esta complejidad siguen sin estar claras.

"En el espacio profundo, el viento solar es turbulento y racheado, ", dijo DeForest." Pero, ¿cómo llegó a ser así? ¿Dejó el sol suave? y se volvió turbulento al cruzar el sistema solar, ¿O las ráfagas nos hablan del Sol mismo? "

Responder a esta pregunta requiere observar la corona exterior, la fuente del viento solar, con extremo detalle. Si el sol mismo causa la turbulencia en el viento solar, entonces deberíamos poder ver estructuras complejas desde el comienzo del viaje del viento.

Pero los datos existentes no mostraban una estructura tan detallada, al menos, hasta ahora.

"Las imágenes anteriores de la corona mostraban la región como una estructura laminar, "dijo Nicki Viall, físico solar en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, y coautor del estudio. "Resulta, esa aparente suavidad se debe simplemente a las limitaciones en la resolución de nuestra imagen ".

El estudio

Para entender la corona DeForest y sus colegas comenzaron con imágenes del coronógrafo:imágenes de la atmósfera del Sol producidas por un telescopio especial que bloquea la luz de la superficie (mucho más brillante).

Estas imágenes fueron generadas por el coronógrafo COR2 a bordo del Observatorio A de Relaciones Solares y Terrestres de la NASA, o ESTÉREO-A, astronave, que gira alrededor del Sol entre la Tierra y Venus.

En abril de 2014, STEREO-A pronto pasaría detrás del Sol, y los científicos querían obtener algunos datos interesantes antes de que las comunicaciones se interrumpieran brevemente.

Así que llevaron a cabo una campaña especial de recopilación de datos de tres días durante la cual COR2 tomó exposiciones de la corona más prolongadas y frecuentes de lo que suele hacer. Estas exposiciones prolongadas permiten más tiempo para que la luz de fuentes débiles golpee el detector del instrumento, lo que le permite ver detalles que de otro modo se perdería.

Pero los científicos no solo querían imágenes de exposición más prolongada, querían que tuvieran una resolución más alta. Las opciones eran limitadas. El instrumento ya estaba en el espacio; a diferencia de Galileo, no podían jugar con el hardware en sí. En lugar de, adoptaron un enfoque de software, exprimiendo datos de la más alta calidad posible mejorando la relación señal-ruido de COR2.

¿Qué es la relación señal-ruido?

La relación señal / ruido es un concepto importante en todas las disciplinas científicas. Mide qué tan bien puede distinguir lo que le importa medir, la señal, de lo que no le importa, el ruido.

Por ejemplo, digamos que está bendecido con una gran audición. Nota el más mínimo de los chillidos de ratón a altas horas de la noche; puede escuchar a escondidas los susurros de los escolares apiñados a seis metros de distancia. Su audición es impecable, cuando el ruido es bajo.

Pero es un juego de pelota completamente diferente cuando estás parado en la primera fila de un concierto de rock. Los otros sonidos del entorno son demasiado abrumadores; no importa lo atentamente que escuches, chillidos y susurros de ratón (la señal, en este caso) no puede cortar la música (el ruido).

El problema no es tu audición, es la mala relación señal / ruido.

Los coronógrafos de COR2 son como su audición. El instrumento es lo suficientemente sensible para obtener imágenes de la corona con gran detalle, pero en la práctica, sus mediciones están contaminadas por el ruido, del entorno espacial e incluso del cableado del propio instrumento. La innovación clave de DeForest y sus colegas fue identificar y separar ese ruido, aumentando la relación señal-ruido y revelando la corona exterior con un detalle sin precedentes.

El analisis

Ya se había dado el primer paso para mejorar la relación señal / ruido:imágenes de mayor exposición. Las exposiciones más largas permiten que entre más luz al detector y reducen el nivel de ruido; el equipo estima la reducción de ruido en un factor de 2,4 para cada imagen. y un factor de 10 cuando se combinan durante un período de 20 minutos.

Pero los pasos restantes dependían de algoritmos sofisticados, diseñado y probado para extraer la verdadera corona de las mediciones ruidosas.

Filtraron la luz de las estrellas de fondo (que crean puntos brillantes en la imagen que no son realmente parte de la corona). Corrigieron pequeñas diferencias (unos pocos milisegundos) en el tiempo que el obturador de la cámara estuvo abierto. Quitaron el brillo de la línea de base de todas las imágenes, y lo normalizó para que las regiones más brillantes no eliminen las más tenues.

Pero uno de los obstáculos más desafiantes es inherente a la corona:el desenfoque de movimiento debido al viento solar. Para superar esta fuente de ruido, DeForest y sus colegas ejecutaron un algoritmo especial para suavizar sus imágenes en el tiempo.

Suavizado en el tiempo, con un toque

Si alguna vez ha hecho una "doble toma, "sabes un par de cosas sobre suavizar en el tiempo. Una doble toma, una segunda mirada, para verificar la primera, es solo una forma de baja tecnología de combinar dos "mediciones" tomadas en diferentes momentos, en una medida en la que puede estar más seguro.

Suavizar en el tiempo convierte esta idea en un algoritmo. El principio es simple:tome dos (o más) imágenes, superponerlos, y promediar sus valores de píxeles juntos. Las diferencias aleatorias entre las imágenes eventualmente se cancelarán, dejando atrás solo lo que es consistente entre ellos.

Pero cuando se trata de la corona, hay un problema:es una dinámica, estructura en constante movimiento y cambio. El material solar siempre se aleja del Sol para convertirse en viento solar. Suavizar en el tiempo crearía desenfoque de movimiento, el mismo tipo de desenfoque que se ve en fotografías de objetos en movimiento. Eso es un problema si su objetivo es ver los detalles finos.

Para deshacer el desenfoque de movimiento del viento solar, los científicos utilizaron un procedimiento novedoso:mientras suavizaban, estimaron la velocidad del viento solar y desplazaron las imágenes junto con él.

Para comprender cómo funciona este enfoque, Piense en tomar instantáneas de la autopista cuando los autos pasen. Si simplemente superpone sus imágenes, el resultado sería un gran lío borroso:ha cambiado demasiado entre cada instantánea.

Pero si pudiera calcular la velocidad del tráfico y cambiar sus imágenes para seguirla, de repente, los detalles de automóviles específicos se harían visibles.

Para DeForest y sus coautores, los coches eran las estructuras a escala fina de la corona, y el tráfico de la autopista era el viento solar.

Por supuesto, no hay señales de límite de velocidad en la corona que le indiquen qué tan rápido se mueven las cosas. Para averiguar exactamente cuánto desplazar las imágenes antes de promediar, desplazaron las imágenes píxel por píxel, correlacionarlos entre sí para calcular qué tan similares eran. Eventualmente encontraron el punto ideal, donde las partes superpuestas de las imágenes eran lo más similares posible. La cantidad de desplazamiento correspondió a una velocidad media del viento solar de unas 136 millas por segundo. Cambiando cada imagen en esa cantidad, alinearon las imágenes y alisaron, o promediarlos juntos.

"Alisamos, no solo en el espacio, no solo a tiempo, pero en un sistema de coordenadas en movimiento, ", Dijo DeForest." Eso nos permitió crear un desenfoque de movimiento que no estaba determinado por la velocidad del viento, sino por la rapidez con que los rasgos cambiaban con el viento ".

Ahora DeForest y sus colaboradores tenían imágenes de alta calidad de la corona y una forma de saber cuánto estaba cambiando con el tiempo.

Los resultados

El hallazgo más sorprendente no fue una estructura física específica, fue la simple presencia de una estructura física en sí misma.

Comparado con la dinámica, corona interior turbulenta, los científicos habían considerado que la corona exterior era suave y homogénea. Pero esa suavidad fue solo un artefacto de una mala relación señal / ruido:

"Cuando eliminamos la mayor cantidad de ruido posible, nos dimos cuenta de que la corona está estructurada, hasta la resolución óptica del instrumento, ", Dijo DeForest.

Como las briznas de hierba que solo ves cuando estás de cerca, La compleja estructura física de la corona se reveló con un detalle sin precedentes. Y de entre ese detalle físico, Surgieron tres hallazgos clave.

La estructura de las serpentinas coronales.

Serpentinas coronales, también conocidas como serpentinas de casco, porque se asemejan al casco puntiagudo de un caballero, son estructuras brillantes que se desarrollan sobre regiones del Sol con actividad magnética mejorada. Fácilmente observado durante los eclipses solares, los bucles magnéticos en la superficie del Sol se estiran en puntas puntiagudas por el viento solar y pueden estallar en eyecciones de masa coronal, o CME, las grandes explosiones de materia que arrojan partes del Sol al espacio circundante.

El procesamiento de DeForest y sus coautores de las observaciones de STEREO revela que los streamers en sí están mucho más estructurados de lo que se pensaba anteriormente.

"Lo que descubrimos es que no existe un solo transmisor, ", Dijo DeForest." Las serpentinas en sí están compuestas por una miríada de finas hebras que juntas producen una característica más brillante ".

La zona de Alfvén

¿Dónde termina la corona y comienza el viento solar? Una definición apunta a la superficie de Alfvén, un límite teórico donde el viento solar comienza a moverse más rápido de lo que las ondas pueden viajar hacia atrás a través de él. En esta región fronteriza, Las perturbaciones que ocurren en un punto más alejado del material solar en movimiento nunca pueden retroceder lo suficientemente rápido como para alcanzar el Sol.

"El material que fluye más allá de la superficie de Alfvén se pierde para el Sol para siempre, ", Dijo DeForest.

Los físicos han creído durante mucho tiempo que la superficie de Alfvén era solo eso:una superficie, o capa en forma de hoja donde el viento solar alcanzó repentinamente una velocidad crítica. Pero eso no es lo que encontraron DeForest y sus colegas.

"Lo que concluimos es que no hay una superficie limpia de Alfvén, ", Dijo DeForest." Hay una amplia 'tierra de nadie' o 'zona de Alfvén' donde el viento solar se desconecta gradualmente del Sol, en lugar de un único límite claro ".

Las observaciones revelan un marco irregular donde, a una distancia determinada del sol, algo de plasma se mueve lo suficientemente rápido como para detener la comunicación hacia atrás, y los arroyos cercanos no lo son. Los arroyos están lo suficientemente cerca y lo suficientemente fino, para mezclar el límite natural de la superficie de Alfvén para crear una amplia, Región parcialmente desconectada entre la corona y el viento solar.

Un misterio a 10 radios solares

Pero el examen detenido de la estructura coronal también planteó nuevas preguntas.

La técnica utilizada para estimar la velocidad del viento solar identificó las altitudes, o distancias de la superficie del Sol, donde las cosas estaban cambiando rápidamente. Y fue entonces cuando el equipo notó algo gracioso.

"Descubrimos que hay una correlación mínima alrededor de 10 radios solares, ", Dijo DeForest.

A una distancia de 10 radios solares, incluso las imágenes consecutivas dejaron de coincidir bien. Pero volvieron a ser más similares a mayores distancias, lo que significa que no se trata solo de alejarse más del Sol. Es como si las cosas cambiaran repentinamente una vez que alcanzan los 10 radios solares.

"El hecho de que la correlación sea más débil a 10 radios solares significa que está sucediendo algo de física interesante por ahí, ", Dijo DeForest." Aún no sabemos qué es, pero sabemos que va a ser interesante ".

A donde vamos desde aqui

Los hallazgos crean un avance en un debate de larga data sobre la fuente de la complejidad del viento solar. Si bien las observaciones de STEREO no resuelven la cuestión, La metodología del equipo abre un eslabón perdido en la cadena del sol al viento solar.

"Vemos toda esta variabilidad en el viento solar justo antes de que golpee la magnetosfera de la Tierra, y uno de nuestros objetivos era preguntar si era posible que la variabilidad se formara en el Sol. Resulta que la respuesta es sí "Dijo Viall.

"Nos permite, por primera vez, sondear realmente la conectividad a través de la corona y ajustar qué tan enredado creemos que se pone el campo magnético en la corona frente al viento solar". ", Agregó DeForest.

Estas primeras observaciones también proporcionan información clave sobre lo que encontrará la próxima sonda solar Parker de la NASA, como la primera misión en recopilar mediciones desde el interior de la corona solar exterior. Esa nave espacial viajará a una distancia de 8.86 radios solares, directamente en la región donde se pueden encontrar cosas interesantes. Los resultados de DeForest y sus colegas les permiten hacer predicciones de lo que Parker Solar Probe puede observar en esta región.

"Deberíamos esperar fuertes fluctuaciones en la densidad, fluctuaciones magnéticas y reconexión en todas partes, y ninguna superficie de Alfvén bien definida, ", Dijo DeForest.

Complementado con las mediciones in situ de Parker Solar Probe, Los algoritmos de imágenes de larga exposición y reducción de ruido serán aún más valiosos para nuestra comprensión de nuestra estrella más cercana.