Algo misterioso está sucediendo en el Sol. Desafiando toda lógica, su ambiente se pone mucho, mucho más caliente cuanto más se estira de la superficie resplandeciente del Sol.

Temperaturas en la corona:la tenue, capa más externa de la atmósfera solar:aumento de más de 2 millones de grados Fahrenheit, mientras que solo 1, 000 millas abajo, la superficie subyacente hierve a fuego lento en un suave 10, 000 F. Cómo maneja el Sol esta hazaña sigue siendo una de las mayores preguntas sin respuesta en astrofísica; los científicos lo llaman el problema del calentamiento coronal. Un nuevo misión histórica, Sonda Solar Parker de la NASA, programada para ser lanzada no antes del 11 de agosto, 2018:volará a través de la propia corona, buscando pistas sobre su comportamiento y ofreciendo la oportunidad a los científicos de resolver este misterio.

De la tierra, como lo vemos en luz visible, la aparición del sol:tranquilo, inmutable — desmiente la vida y el drama de nuestra estrella más cercana. Su turbulenta superficie es sacudida por erupciones e intensas ráfagas de radiación, que arrojan material solar a velocidades increíbles a todos los rincones del sistema solar. Esta actividad solar puede desencadenar eventos meteorológicos espaciales que tienen el potencial de interrumpir las comunicaciones por radio. dañar satélites y astronautas, y en sus momentos más severos, interferir con las redes eléctricas.

Sobre la superficie la corona se extiende por millones de millas y se agita con plasma, los gases se sobrecalentaron tanto que se separaron en un flujo eléctrico de iones y electrones libres. Finalmente, continúa hacia afuera como el viento solar, una corriente supersónica de plasma que impregna todo el sistema solar. Y entonces, es que los humanos viven bien dentro de la atmósfera extendida de nuestro Sol. Comprender completamente la corona y todos sus secretos es comprender no solo la estrella que impulsa la vida en la Tierra, pero también, el mismo espacio que nos rodea.

Un misterio de 150 años

La mayor parte de lo que sabemos sobre la corona está profundamente arraigado en la historia de los eclipses solares totales. Antes de sofisticados instrumentos y naves espaciales, la única forma de estudiar la corona de la Tierra era durante un eclipse total, cuando la luna bloquea el rostro brillante del sol, revelando el entorno, corona más tenue.

La historia del problema del calentamiento coronal comienza con una línea espectral verde observada durante un eclipse total de 1869. Debido a que diferentes elementos emiten luz en longitudes de onda características, los científicos pueden usar espectrómetros para analizar la luz del Sol e identificar su composición. Pero la línea verde observada en 1869 no se correspondía con ningún elemento conocido en la Tierra. Los científicos pensaron que tal vez habían descubierto un nuevo elemento, y lo llamaron coronium.

No fue hasta 70 años después que un físico sueco descubrió que el elemento responsable de la emisión es el hierro, sobrecalentado hasta el punto de que se ioniza 13 veces, dejándolo con solo la mitad de los electrones de un átomo normal de hierro. Y ahí radica el problema:los científicos calcularon que niveles tan altos de ionización requerirían temperaturas coronales de alrededor de 2 millones de grados Fahrenheit, casi 200 veces más calientes que la superficie.

Por décadas, esta línea verde engañosamente simple ha sido la Mona Lisa de la ciencia solar, científicos desconcertantes que no pueden explicar su existencia. Desde que se identificó su fuente, hemos llegado a comprender que el rompecabezas es aún más complejo de lo que parecía.

"Pienso en el problema del calentamiento coronal como un paraguas que cubre un par de problemas confusos relacionados, "dijo Justin Kasper, científico espacial de la Universidad de Michigan en Ann Arbor. Kasper también es investigador principal de SWEAP, abreviatura de Investigación de protones y alfas de electrones del viento solar, un conjunto de instrumentos a bordo de Parker Solar Probe. "Primero, ¿Cómo se calienta la corona tan rápido? Pero la segunda parte del problema es que no solo comienza, sigue adelante. Y no solo continúa el calentamiento, pero diferentes elementos se calientan a diferentes ritmos ". Es una pista intrigante de lo que está sucediendo con el calentamiento solar.

Desde que descubrí la corona caliente, Los científicos e ingenieros han trabajado mucho para comprender su comportamiento. Han desarrollado potentes modelos e instrumentos y han lanzado naves espaciales que vigilan el Sol durante todo el día. Pero incluso los modelos más complejos y las observaciones de alta resolución solo pueden explicar parcialmente el calentamiento coronal, y algunas teorías se contradicen entre sí. También está el problema de estudiar la corona desde lejos.

Podemos vivir dentro de la atmósfera expansiva del Sol, pero la corona y el plasma solar en el espacio cercano a la Tierra difieren dramáticamente. Al lento viento solar le toma alrededor de cuatro días viajar 93 millones de millas y llegar a la Tierra o la nave espacial que lo estudia, tiempo suficiente para que se entremezcle con otras partículas que atraviesan el espacio y pierden sus características definitorias.

Estudiar esta sopa homogénea de plasma en busca de pistas sobre el calentamiento coronal es como intentar estudiar la geología de una montaña, tamizando el sedimento en el delta de un río miles de millas río abajo. Viajando a la corona, Parker Solar Probe tomará muestras de partículas recién calentadas, eliminando las incertidumbres de un viaje de 93 millones de millas y enviando de regreso a la Tierra las mediciones más prístinas de la corona jamás registradas.

"Todo nuestro trabajo a lo largo de los años ha culminado hasta este punto:nos dimos cuenta de que nunca podremos resolver por completo el problema del calentamiento coronal hasta que enviemos una sonda para realizar mediciones en la propia corona, "dijo Nour Raouafi, Científico adjunto del proyecto Parker Solar Probe y físico solar en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland.

Viajar al Sol es una idea más antigua que la propia NASA, pero ha llevado décadas diseñar la tecnología que hace posible su viaje. En ese momento, los científicos han determinado exactamente qué tipo de datos —y los instrumentos correspondientes— necesitan para completar una imagen de la corona y responder a esta última de las preguntas candentes.

Explicando los secretos de la corona

Parker Solar Probe probará dos teorías principales para explicar el calentamiento coronal. Las capas externas del Sol hierven y se agitan constantemente con energía mecánica. A medida que las células masivas de plasma cargado se mueven a través del Sol, de la misma manera que las burbujas distintas se enrollan a través de una olla de agua hirviendo, su movimiento fluido genera campos magnéticos complejos que se extienden hacia la corona. De alguna manera, los campos enmarañados canalizan esta energía feroz hacia la corona en forma de calor; cómo lo hacen es lo que cada teoría intenta explicar.

Una teoría propone que las ondas electromagnéticas son la raíz del calor extremo de la corona. Quizás ese movimiento de ebullición lanza ondas magnéticas de cierta frecuencia, llamadas ondas de Alfvén, desde las profundidades del Sol hacia la corona, que envían partículas cargadas que giran y calientan la atmósfera, un poco como las olas del océano empujan y aceleran a los surfistas hacia la orilla.

Otro sugiere explosiones parecidas a bombas, llamados nanoflares, a través de la superficie del Sol vierten calor a la atmósfera solar. Como sus contrapartes más grandes, erupciones solares, Se cree que las nanoflares son el resultado de un proceso explosivo llamado reconexión magnética. La ebullición turbulenta en el Sol retuerce y contorsiona las líneas del campo magnético, acumulando estrés y tensión hasta que se rompen explosivamente, como romper una banda de goma enrollada, acelerando y calentando las partículas a su paso.

Las dos teorías no son necesariamente excluyentes entre sí. De hecho, para complicar las cosas, muchos científicos piensan que ambos pueden estar involucrados en el calentamiento de la corona. Algunas veces, por ejemplo, la reconexión magnética que desencadena una nanoflare también podría lanzar ondas Alfvén, que luego calientan aún más el plasma circundante.

La otra gran pregunta es ¿Con qué frecuencia ocurren estos procesos, de manera constante o en ráfagas distintas? Responder eso requiere un nivel de detalle que no tenemos a 93 millones de millas de distancia.

"Nos acercamos a la calefacción, y hay ocasiones en que Parker Solar Probe rotará conjuntamente, orbitan alrededor del Sol a la misma velocidad que el Sol mismo gira, "dijo Eric Christian, un científico espacial en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, y miembro del equipo científico de la misión. "Esa es una parte importante de la ciencia. Al pasar el cursor sobre el mismo lugar, veremos la evolución de la calefacción ".

Descubriendo la evidencia

Una vez que Parker Solar Probe llega a la corona, ¿Cómo ayudará a los científicos a distinguir si las ondas o las nanoflares impulsan el calentamiento? Si bien la nave espacial lleva cuatro conjuntos de instrumentos para una variedad de tipos de investigación, dos en particular obtendrán datos útiles para resolver el misterio del calentamiento coronal:el experimento FIELDS y SWEAP.

Agrimensor de fuerzas invisibles, LOS CAMPOS, dirigido por la Universidad de California, Berkeley, mide directamente campos eléctricos y magnéticos, para entender los choques, ondas y eventos de reconexión magnética que calientan el viento solar.

SWEAP:dirigido por el Observatorio Astrofísico Harvard-Smithsonian en Cambridge, Massachusetts:es la mitad complementaria de la investigación, recopilación de datos sobre el plasma caliente en sí. Cuenta las partículas más abundantes del viento solar:electrones, protones e iones de helio, y mide su temperatura, qué tan rápido se mueven después de haber sido calentados, y en que dirección.

Juntos, los dos conjuntos de instrumentos pintan una imagen de los campos electromagnéticos que se cree que son responsables del calentamiento, así como las partículas solares recién calentadas que giran a través de la corona. La clave de su éxito son las mediciones de alta resolución, capaz de resolver interacciones entre ondas y partículas en meras fracciones de segundo.

Parker Solar Probe se precipitará a 3.9 millones de millas de la superficie del Sol, y aunque esta distancia puede parecer grande, la nave espacial está bien posicionada para detectar firmas de calentamiento coronal. "Aunque los eventos de reconexión magnética tienen lugar más abajo cerca de la superficie del Sol, la nave espacial verá el plasma justo después de que ocurran, ", dijo la científica solar de Goddard, Nicholeen Viall." Tenemos la oportunidad de colocar nuestro termómetro en la corona y observar cómo aumenta la temperatura. Compare eso con el estudio del plasma que se calentó hace cuatro días desde la Tierra, donde muchas de las estructuras tridimensionales y la información urgente desaparecen ".

Esta parte de la corona es un territorio completamente inexplorado, y los científicos esperan visiones que no se parecen a nada que hayan visto antes. Algunos piensan que el plasma será tenue y tenue, como cirros. O tal vez parecerá estructuras masivas parecidas a limpiapipas que irradian del sol.

"Estoy bastante seguro de que cuando recuperemos la primera ronda de datos, veremos que el viento solar en altitudes más bajas cerca del Sol es puntiagudo e impulsivo, "dijo Stuart Bale, Universidad de California, Berkeley, astrofísico e investigador principal de FIELDS. "Apostaría mi dinero a que los datos sean mucho más interesantes de lo que vemos cerca de la Tierra".

Los datos son lo suficientemente complicados, y provienen de múltiples instrumentos, por lo que los científicos necesitarán algo de tiempo para armar una explicación del calentamiento coronal. Y debido a que la superficie del Sol no es lisa y varía a lo largo, Parker Solar Probe necesita hacer varias pasadas sobre el Sol para contar toda la historia. Pero los científicos confían en que tiene las herramientas para responder a sus preguntas.

La idea básica es que cada mecanismo de calefacción propuesto tiene su propia firma distintiva. Si las ondas de Alfvén son la fuente del calor extremo de la corona, FIELDS detectará su actividad. Dado que los iones más pesados ​​se calientan a diferentes velocidades, parece que diferentes clases de partículas interactúan con esas ondas de formas específicas; SWEAP caracterizará sus interacciones únicas.

Si las nanoflares son las responsables, Los científicos esperan ver chorros de partículas aceleradas disparándose en direcciones opuestas, una señal reveladora de una reconexión magnética explosiva. Donde ocurre la reconexión magnética, también deben detectar puntos calientes donde los campos magnéticos cambian rápidamente y calientan el plasma circundante.

Los descubrimientos están por venir

Existe un entusiasmo y entusiasmo entre los científicos solares:la misión de Parker Solar Probe marca un momento decisivo en la historia de la astrofísica, y tienen una posibilidad real de desentrañar los misterios que han confundido su campo durante casi 150 años.

Al reconstruir el funcionamiento interno de la corona, Los científicos alcanzarán una comprensión más profunda de la dinámica que desencadena los eventos meteorológicos espaciales, conformando las condiciones en el espacio cercano a la Tierra. Pero las aplicaciones de esta ciencia también se extienden más allá del sistema solar. El Sol abre una ventana para comprender otras estrellas, especialmente aquellas que también exhiben un calentamiento similar al del Sol, estrellas que potencialmente podrían fomentar ambientes habitables pero que están demasiado lejos para estudiarlas. E iluminar la física fundamental de los plasmas probablemente podría enseñar a los científicos mucho sobre cómo se comportan los plasmas en otras partes del universo. como en cúmulos de galaxias o alrededor de agujeros negros.

También es muy posible que ni siquiera hayamos concebido los mayores descubrimientos por venir. Es difícil predecir cómo la solución del calentamiento coronal cambiará nuestra comprensión del espacio que nos rodea, pero descubrimientos fundamentales como este tienen la capacidad de cambiar la ciencia y la tecnología para siempre. El viaje de Parker Solar Probe lleva la curiosidad humana a una región nunca antes vista del sistema solar, donde cada observación es un descubrimiento potencial.

"Estoy casi seguro de que descubriremos nuevos fenómenos de los que no sabemos nada ahora, y eso es muy emocionante para nosotros, ", Dijo Raouafi." Parker Solar Probe hará historia al ayudarnos a comprender el calentamiento coronal, así como la aceleración del viento solar y las partículas energéticas solares, pero creo que también tiene el potencial de dirigir la dirección del futuro de la física solar ".