Un nuevo estudio, publicado en The Astrophysical Journal ha producido una película comprimida de 14 años del Sol observada en rayos gamma, una herramienta de visualización que reveló que, contrariamente a la distribución uniforme esperada de estos fotones de alta energía, el disco solar puede volverse más brillante en las regiones polares. Esta tendencia a que el brillo del sol en los rayos gamma sea dominante en las latitudes más altas es evidente durante el pico de actividad solar, como se pudo ver en junio de 2014.
El estudio, dirigido por Bruno Arsioli, del Instituto de Astrofísica y Ciencias Espaciales (IA), de Portugal, y de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Lisboa, puede contribuir a la comprensión del proceso aún desconocido que hace brillar el sol 10 veces más brillante en rayos gamma de lo que esperan los físicos. También puede servir de base para las previsiones meteorológicas espaciales.
Los rayos gamma solares se producen en el halo de nuestra estrella y en las erupciones solares, pero también se liberan desde su superficie. "El Sol está plagado de partículas cercanas a la velocidad de la luz que llegan desde más allá de nuestra galaxia en todas direcciones", afirma Bruno Arsioli. "Estos llamados rayos cósmicos están cargados eléctricamente y son desviados por los campos magnéticos del sol. Aquellos que interactúan con la atmósfera solar producen una lluvia de rayos gamma."
Los científicos pensaban que estas lluvias tenían las mismas posibilidades de verse en cualquier parte del disco solar. Lo que sugiere este trabajo es que los rayos cósmicos podrían interactuar con el campo magnético del Sol y producir así una distribución de rayos gamma que no es uniforme en todas las latitudes de nuestra estrella.
"También detectamos una diferencia de energía entre los polos", añade Bruno Arsioli. "En el polo sur hay un excedente de emisiones de mayor energía, de fotones de 20 a 150 GeV, mientras que la mayoría de los fotones menos energéticos provienen del polo norte". Los científicos aún no tienen una explicación para esta asimetría.
Durante el máximo del ciclo de actividad solar, es evidente que los rayos gamma se irradian con mayor frecuencia en latitudes más altas. Se concentraron especialmente en los polos solares en junio de 2014, tras la inversión del campo magnético solar. Esto es cuando el dipolo del campo magnético del Sol intercambia sus dos signos, un fenómeno peculiar que se sabe que ocurre en el pico de actividad solar, una vez cada 11 años.
"Hemos encontrado resultados que desafían nuestra comprensión actual del sol y su entorno", afirma Elena Orlando, de la Universidad de Trieste, INFN y la Universidad de Stanford, y coautora de este estudio.
"Demostramos una fuerte correlación de la asimetría en la emisión de rayos gamma solares en coincidencia con el cambio del campo magnético solar, lo que ha revelado un posible vínculo entre la astronomía solar, la física de partículas y la física del plasma".
Los datos utilizados provienen de 14 años de observaciones con el satélite de rayos gamma Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), entre agosto de 2008 y enero de 2022. Este período abarcó un ciclo solar completo, desde el mínimo hasta el siguiente, con el pico en 2014.
Uno de los desafíos fue separar las emisiones solares de las numerosas otras fuentes de rayos gamma en el cielo de fondo, atravesado por la trayectoria aparente del sol. Bruno Arsioli y su colega Elena Orlando produjeron una herramienta para integrar todos los eventos de rayos gamma solares dentro de una ventana del orden de 400 a 700 días, y esta ventana puede deslizarse a lo largo de un período de 14 años.
A través de esta visualización, quedaron claros los momentos de excesos polares, así como la discrepancia energética entre el norte y el sur.
"El estudio de las emisiones de rayos gamma del Sol representa una nueva ventana para investigar y comprender los procesos físicos que ocurren en la atmósfera de nuestra estrella", afirma Arsioli. "¿Cuáles son los procesos que crean estos excesos en los polos? Quizás existan mecanismos adicionales que generan rayos gamma que van más allá de la interacción de los rayos cósmicos con la superficie del sol."
Sin embargo, si nos atenemos a los rayos cósmicos, pueden funcionar como una sonda de la atmósfera solar interior. El análisis de estas observaciones de Fermi-LAT también motiva un nuevo enfoque teórico que debería considerar una descripción más detallada de los campos magnéticos del sol.
La posible conexión entre la producción de rayos gamma del Sol y sus espectaculares periodos de fulguraciones solares más frecuentes y eyecciones de masa coronal, y entre éstos y los cambios en la configuración magnética de nuestra estrella, puede ayudar a mejorar los modelos físicos que predicen la actividad solar. Éstas son la base de las previsiones meteorológicas espaciales, esenciales para proteger los instrumentos de los satélites en el espacio y las telecomunicaciones y otras infraestructuras electrónicas de la Tierra.
"En 2024 y el próximo año experimentaremos un nuevo máximo solar y ya ha comenzado otra inversión de los polos magnéticos del Sol. Esperamos volver a evaluar a finales de 2025 si a la inversión de los campos magnéticos le sigue un excedente en el emisiones de rayos gamma procedentes de los polos", afirma Bruno Arsioli.
Elena Orlando añade:"Hemos encontrado la clave para desbloquear este misterio, que sugiere las direcciones futuras que se deben tomar. Es fundamental que el telescopio Fermi funcione y observe el sol en los próximos años."
Pero es probable que los rayos gamma solares tengan más que revelar y exijan mayor atención. Este estudio fortalecerá el argumento científico para el monitoreo continuo del sol por parte de la próxima generación de observatorios espaciales de rayos gamma.
"Si se decide que las emisiones de alta energía realmente contienen información sobre la actividad solar, entonces la próxima misión debería planificarse para proporcionar datos en tiempo real sobre las emisiones de rayos gamma del sol", dice Arsioli.
Más información: Otro misterio más del sol:asimetría inesperada en la emisión de GeV del disco solar, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad1bd2
Información de la revista: Revista Astrofísica
Proporcionado por la Universidad de Lisboa
