La superficie del sol es un brillante despliegue de manchas solares y llamaradas impulsadas por el campo magnético solar, que se genera internamente mediante un proceso llamado acción de dinamo. Los astrofísicos han supuesto que el campo solar se genera en lo profundo de la estrella. Pero un estudio del MIT descubre que la actividad del sol puede estar determinada por un proceso mucho más superficial.
En un artículo que aparece en Nature , investigadores del MIT, la Universidad de Edimburgo y otros lugares descubren que el campo magnético del sol podría surgir de inestabilidades dentro de las capas más externas del sol.
El equipo generó un modelo preciso de la superficie del Sol y descubrió que cuando simulaban ciertas perturbaciones o cambios en el flujo de plasma (gas ionizado) dentro del 5-10% superior del Sol, estos cambios en la superficie eran suficientes para generar imágenes magnéticas realistas. patrones de campo, con características similares a las que los astrónomos han observado en el sol. Por el contrario, sus simulaciones en capas más profundas produjeron una actividad solar menos realista.
Los hallazgos sugieren que las manchas solares y las llamaradas podrían ser producto de un campo magnético poco profundo, en lugar de un campo que se origina en las profundidades del Sol, como los científicos habían asumido en gran medida.
"Las características que vemos cuando miramos al Sol, como la corona que mucha gente vio durante el reciente eclipse solar, las manchas solares y las erupciones solares, están asociadas con el campo magnético del Sol", dice el autor del estudio Keaton Burns, científico investigador en Departamento de Matemáticas del MIT.
"Demostramos que perturbaciones aisladas cerca de la superficie del Sol, lejos de las capas más profundas, pueden crecer con el tiempo para producir potencialmente las estructuras magnéticas que vemos".
Si el campo magnético del Sol realmente surge de sus capas más externas, esto podría dar a los científicos una mejor oportunidad de pronosticar erupciones y tormentas geomagnéticas que tienen el potencial de dañar satélites y sistemas de telecomunicaciones.
"Sabemos que la dinamo actúa como un reloj gigante con muchas partes complejas que interactúan", dice el coautor Geoffrey Vasil, investigador de la Universidad de Edimburgo. "Pero no conocemos muchas de las piezas ni cómo encajan. Esta nueva idea de cómo comienza la dinamo solar es esencial para comprenderla y predecirla".
Los coautores del estudio también incluyen a Daniel Lecoanet y Kyle Augustson de la Universidad Northwestern, Jeffrey Oishi de Bates College, Benjamin Brown y Keith Julien de la Universidad de Colorado en Boulder, y Nicholas Brummell de la Universidad de California en Santa Cruz.
El sol es una bola de plasma candente que hierve en su superficie. Esta región de ebullición se llama "zona de convección", donde capas y columnas de plasma se agitan y fluyen. La zona de convección comprende el tercio superior del radio del sol y se extiende unos 200.000 kilómetros bajo la superficie.
"Una de las ideas básicas sobre cómo poner en marcha una dinamo es que se necesita una región donde haya una gran cantidad de plasma moviéndose más allá de otro plasma, y ese movimiento de corte convierta la energía cinética en energía magnética", explica Burns. "La gente pensaba que el campo magnético del sol se creaba por los movimientos en el fondo de la zona de convección."
Para precisar exactamente dónde se origina el campo magnético del sol, otros científicos han utilizado grandes simulaciones tridimensionales para tratar de resolver el flujo de plasma a lo largo de las numerosas capas del interior del sol. "Esas simulaciones requieren millones de horas en instalaciones nacionales de supercomputación, pero lo que producen aún no es tan turbulento como el sol real", dice Burns.
En lugar de simular el complejo flujo de plasma a lo largo de todo el cuerpo del sol, Burns y sus colegas se preguntaron si estudiar la estabilidad del flujo de plasma cerca de la superficie podría ser suficiente para explicar los orígenes del proceso de dinamo.
Para explorar esta idea, el equipo utilizó primero datos del campo de la "heliosismología", donde los científicos utilizan las vibraciones observadas en la superficie del sol para determinar la estructura promedio y el flujo de plasma debajo de la superficie.
"Si grabas un vídeo de un tambor y observas cómo vibra en cámara lenta, puedes determinar la forma y la rigidez del parche a partir de los modos de vibración", dice Burns. "Del mismo modo, podemos utilizar las vibraciones que vemos en la superficie solar para inferir la estructura promedio en el interior."
Para su nuevo estudio, los investigadores recopilaron modelos de la estructura del sol a partir de observaciones heliosísmicas. "Estos flujos promedio se parecen a una cebolla, con diferentes capas de plasma girando unas sobre otras", explica Burns. "Entonces preguntamos:¿Hay perturbaciones o pequeños cambios en el flujo de plasma que podríamos superponer a esta estructura promedio y que podrían crecer hasta causar el campo magnético del sol?"
Para buscar tales patrones, el equipo utilizó el Proyecto Dedalus, un marco numérico desarrollado por Burns que puede simular muchos tipos de flujos de fluidos con alta precisión. El código se ha aplicado a una amplia gama de problemas, desde modelar la dinámica dentro de células individuales hasta circulaciones oceánicas y atmosféricas.
"Mis colaboradores han estado pensando en el problema del magnetismo solar durante años, y las capacidades de Dedalus han llegado al punto en el que podemos abordarlo", afirma Burns.
El equipo desarrolló algoritmos que incorporaron a Dedalus para encontrar cambios que se refuerzan a sí mismos en los flujos superficiales promedio del sol. El algoritmo descubrió nuevos patrones que podrían crecer y dar como resultado una actividad solar realista. En particular, el equipo encontró patrones que coinciden con las ubicaciones y escalas temporales de las manchas solares observadas por los astrónomos desde Galileo en 1612.
Las manchas solares son características transitorias en la superficie del sol que se cree que están formadas por el campo magnético del sol. Estas regiones relativamente más frías aparecen como puntos oscuros en relación con el resto de la superficie candente del sol. Los astrónomos han observado durante mucho tiempo que las manchas solares ocurren en un patrón cíclico, creciendo y retrocediendo cada 11 años, y generalmente gravitando alrededor del ecuador, en lugar de cerca de los polos.
En las simulaciones del equipo, descubrieron que ciertos cambios en el flujo de plasma, dentro del 5-10% superior de las capas superficiales del sol, eran suficientes para generar estructuras magnéticas en las mismas regiones. Por el contrario, los cambios en las capas más profundas producen campos solares menos realistas que se concentran cerca de los polos, en lugar de cerca del ecuador.
El equipo se sintió motivado a observar más de cerca los patrones de flujo cerca de la superficie, ya que las condiciones allí se parecían a los flujos de plasma inestables en sistemas completamente diferentes:los discos de acreción alrededor de los agujeros negros. Los discos de acreción son discos masivos de gas y polvo estelar que giran hacia un agujero negro, impulsados por la "inestabilidad magnetorotacional", que genera turbulencias en el flujo y hace que caiga hacia adentro.
Burns y sus colegas sospecharon que en el Sol se produce un fenómeno similar y que la inestabilidad magnetorotacional en las capas más externas del Sol podría ser el primer paso para generar el campo magnético del Sol.
"Creo que este resultado puede ser controvertido", dice. "La mayor parte de la comunidad se ha centrado en encontrar acción de dinamo en las profundidades del sol. Ahora estamos demostrando que hay un mecanismo diferente que parece coincidir mejor con las observaciones".
Burns dice que el equipo continúa estudiando si los nuevos patrones de campo superficial pueden generar manchas solares individuales y el ciclo solar completo de 11 años.
