Hace más de 150 años, el Sol azotó la Tierra con una nube masiva de partículas cargadas calientes. Esta burbuja de plasma generó una tormenta magnética en la Tierra que provocó que saltaran chispas del equipo de telégrafo e incluso provocó algunos incendios. Ahora llamado Evento Carrington, después de uno de los astrónomos que lo observó, una tormenta magnética como esta podría volver a ocurrir en cualquier momento, solo que ahora afectaría más que los telégrafos:podría dañar o causar cortes en las redes de teléfonos inalámbricos, Sistemas GPS, redes eléctricas que alimentan equipos médicos que salvan vidas y más.

Los satélites que miran hacia el sol monitorean la luz ultravioleta (UV) del Sol para darnos una advertencia anticipada de las tormentas solares, tanto los grandes que podrían causar un evento similar a Carrington como los más pequeños, perturbaciones más comunes que pueden interrumpir temporalmente las comunicaciones. Una pieza clave del equipo que se utiliza en estos detectores es un pequeño filtro de metal que bloquea todo excepto la señal ultravioleta que los investigadores necesitan ver.

Pero durante décadas ha habido un problema importante:en el transcurso de solo uno o dos años, estos filtros pierden misteriosamente su capacidad de transmitir luz ultravioleta, "nublando" y obligando a los astrónomos a lanzar costosas misiones anuales de recalibración. Estas misiones implican enviar un instrumento recién calibrado al espacio para hacer sus propias observaciones independientes de la luz solar para comparar.

Una de las principales teorías ha sido que los filtros estaban desarrollando una capa de carbono, cuya fuente son contaminantes en la nave espacial, que bloqueó la luz ultravioleta entrante. Ahora, Científicos y colaboradores del NIST del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial (LASP) en Boulder, Colorado, han encontrado la primera evidencia que indica que la carbonización no es el problema, y debe ser otra cosa como otro posible polizón de la Tierra. Los investigadores describen su trabajo en Física solar hoy dia.

"Que yo sepa, es el primer cuantitativo, Argumento realmente sólido contra la carbonización como causa de la degradación del filtro, ", dijo el físico del NIST Charles Tarrio.

¿Para qué son buenos? Absolutamente todo

La mayor parte de la luz producida por el Sol es visible e incluye el arco iris de colores desde el rojo (con una longitud de onda de alrededor de 750 nanómetros) hasta el violeta (con una longitud de onda de alrededor de 400 nm). Pero el Sol también produce luz con longitudes de onda demasiado largas o cortas para que el ojo humano la vea. Uno de estos rangos es ultravioleta extrema (EUV), que se extiende desde 100 nm hasta solo 10 nm.

Solo alrededor de una décima parte de la luz solar está en el rango EUV. Esa pequeña señal EUV es extremadamente útil porque se dispara junto con las erupciones solares. Estas erupciones en la superficie del Sol pueden causar cambios en la atmósfera superior de la Tierra que interrumpen las comunicaciones o interfieren con las lecturas del GPS. haciendo que su teléfono piense repentinamente que está a 40 pies de distancia de su ubicación real.

Los satélites que miden las señales de EUV ayudan a los científicos a monitorear estas erupciones solares. Pero las señales de EUV también les dan a los científicos un aviso de horas o incluso días antes de fenómenos más destructivos como las eyecciones de masa coronal (CME), el fenómeno responsable del evento Carrington. Las CME futuras podrían sobrecargar nuestras líneas eléctricas o aumentar la exposición a la radiación para la tripulación de la aerolínea y los pasajeros que viajan en ciertos lugares.

Y hoy en día los satélites hacen más que simplemente darnos advertencias, dijo el científico investigador senior de LASP, Frank Eparvier, un colaborador en el trabajo actual.

"En las últimas décadas, hemos pasado de simplemente enviar alertas de que han ocurrido llamaradas a poder corregir la variabilidad solar debida a llamaradas y CME, ", Dijo Eparvier." Saber en tiempo real cuánto varía el EUV solar permite ejecutar modelos informáticos de la atmósfera, que luego puede producir correcciones para las unidades de GPS para minimizar los impactos de esa variabilidad ".

El misterio de los filtros nublados

Dos metales son particularmente útiles para filtrar las cantidades masivas de luz visible para dejar pasar esa pequeña pero importante señal EUV. Los filtros de aluminio transmiten luz EUV entre 17 nm y 80 nm. Los filtros de circonio transmiten luz EUV entre 6 nm y 20 nm.

Si bien estos filtros comienzan su vida transmitiendo mucha luz EUV en sus respectivos rangos, los filtros de aluminio, en particular, pierden rápidamente sus habilidades de transmisión. Un filtro puede comenzar permitiendo que el 50% de la luz EUV de 30 nm pase al detector. Pero en tan solo un año solo transmite el 25% de esta luz. Dentro de cinco años, ese número se ha reducido al 10%.

"Es un problema importante, "Dijo Tarrio. Menos luz transmitida significa menos datos disponibles, un poco como tratar de leer en una habitación con poca luz y gafas de sol oscuras.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los depósitos de carbono pueden acumularse en los instrumentos cuando se someten a la luz ultravioleta. Las fuentes de carbono en los satélites pueden ser de todo, desde huellas dactilares hasta los materiales utilizados en la construcción de la propia nave espacial. En el caso de los filtros UV misteriosamente nublados, los investigadores pensaron que el carbono podría haberse depositado en ellos, absorbiendo la luz EUV que de otro modo habría pasado.

Sin embargo, desde la década de 1980, Los astrónomos han estado diseñando cuidadosamente naves espaciales para que sean lo más libres de carbono posible. Y ese trabajo les ha ayudado con otros problemas de carbonización. Pero no ayudó con el problema del filtro EUV de aluminio. Sin embargo, la comunidad aún sospechaba que la carbonización era al menos parcialmente responsable de la degradación.

Haga su propio clima espacial

Para probar esto en un entorno controlado, Los investigadores y colaboradores del NIST utilizaron una máquina que les permite crear efectivamente su propio clima espacial.

El instrumento es la instalación de radiación ultravioleta sincrotrón del NIST (SURF), un acelerador de partículas del tamaño de una habitación que utiliza potentes imanes para mover electrones en un círculo. El movimiento genera luz EUV, que se pueden desviar a través de espejos especializados para impactar objetivos, en este caso, los filtros satélite de aluminio y circonio.

Cada filtro tenía 6 milímetros por 18 mm, más pequeño que un sello postal, y solo 250 nm de espesor, aproximadamente 400 veces más delgado que un cabello humano. Los filtros de muestra eran en realidad un poco más gruesos que los filtros de satélite reales, con otros pequeños cambios diseñados para evitar que la viga SURF literalmente queme agujeros en los metales. Durante una carrera, la parte trasera de cada filtro se expuso a una fuente controlada de carbono.

Para acelerar el proceso de prueba, el equipo explotó los filtros con el equivalente a cinco años de clima espacial en una o dos horas. De paso, obtener ese tipo de potencia de haz no fue un problema para SURF.

"Reducimos SURF a aproximadamente la mitad de su potencia normal para exponer los filtros a una cantidad razonable de luz, ", Dijo Tarrio." Los satélites están a 92 millones de millas del Sol, y el Sol no está emitiendo una gran cantidad de EUV para empezar ".

Finalmente, después de la exposición, Los investigadores probaron cada filtro para ver cuánta luz EUV en el rango de longitud de onda correcto podía atravesar.

El equipo descubrió que la transmisión no era significativamente diferente después de la exposición frente a antes de la exposición, para el aluminio o el circonio. De hecho, la diferencia en la transmisión fue solo una fracción de un por ciento, no lo suficiente como para explicar el tipo de nubosidad que ocurre en los satélites espaciales reales.

"Buscábamos una disminución del 30% en la transmisión, "Dijo Tarrio." Y simplemente no lo vimos ".

Como prueba adicional, los científicos dieron a los filtros dosis de luz aún mayores, el equivalente a 50 años de radiación ultravioleta. E incluso eso no produjo muchos problemas de transmisión de luz, el crecimiento de sólo 3 nm de carbono en los filtros, 10 veces menos de lo que los investigadores hubieran esperado si el carbono fuera el responsable.

Entonces, si no es carbono ...

El verdadero culpable aún no ha sido identificado, pero los investigadores ya tienen un sospechoso diferente en mente:el agua.

Como la mayoría de los metales, el aluminio naturalmente tiene una capa delgada en su superficie de un material llamado óxido, que se forma cuando el aluminio se une al oxígeno. Todo, desde el papel de aluminio hasta las latas de refresco, tiene esta capa de óxido, que es químicamente idéntico al zafiro.

En el mecanismo propuesto, la luz EUV sacaría átomos de aluminio del filtro y los depositaría en el exterior del filtro, que ya tiene esa fina capa de óxido. Los átomos expuestos reaccionarían entonces con el oxígeno del agua de la Tierra que se subió a la nave espacial. Juntos, el aluminio y el agua expuestos reaccionarían para formar una capa de óxido mucho más gruesa, que teóricamente podría estar absorbiendo la luz.

Otros experimentos SURF programados para finales de este año deberían responder a la pregunta de si el problema realmente es el agua, o algo mas. "Esta sería la primera vez que la gente observa la deposición de óxido de aluminio en este contexto, ", Dijo Tarrio." Lo estamos considerando como una posibilidad seria ".

- Reportado y escrito por Jennifer Lauren Lee