Resuelven el misterio de la aceleración y el calentamiento del viento solar

Como se sabe, el viento solar es una corriente constante de partículas cargadas que emanan de la corona solar (la atmósfera del Sol) y fluye hacia el espacio en todas direcciones, llegando hasta la Tierra, donde la colisión de esas partículas con la atmósfera causa, entre otras cosas, el vistoso fenómeno de las auroras australes y boreales.

La parte más veloz de ese viento, llamada viento solar rápido, se mueve a velocidades que superan los 500 km por segundo, o lo que es lo mismo, 1,8 millones de km/h. Sin embargo, el viento solar no sale a esa velocidad del Sol, sino que lo hace mucho más lentamente, y 'algo' lo va acelerando a medida que avanza. Algo, sí, ¿pero qué?

Al mismo tiempo el viento, que sale del Sol a temperaturas que rondan el millón de grados, se va enfriando a medida que se expande en un volumen cada vez mayor de espacio pero, inexplicablemente, lo hace a un ritmo mucho más lento del esperado. ¿Qué es, pues, lo que proporciona la energía necesaria para acelerarlo y calentarlo?

Los datos combinados de las dos sondas han obtenido, por primera vez, pruebas concluyentes de que la respuesta se encuentra en las oscilaciones a gran escala que sufre el campo magnético del Sol, conocidas como ondas de Alfvén.

«Antes de este trabajo -explica Yeimy Rivera, del Centro de Astrofísica de Harvard & Smithsonian y primera autora conjunta del trabajo- se habían sugerido las ondas de Alfvén como una fuente potencial de energía, pero no teníamos pruebas definitivas».

Normalmente, en un gas común, como el aire de la Tierra, el único tipo de ondas que pueden expresarse son las sonoras. Pero cuando un gas se calienta a temperaturas extraordinarias, como sucede en la atmósfera del Sol, cambia de estado y se convierte en plasma, que responde a los campos magnéticos. Lo cual permite que se formen ondas, llamadas ondas de Alfvén, en el campo magnético. Estas ondas almacenan energía y pueden transportarla de manera eficiente a través de plasma.

Un gas 'normal' expresa su energía almacenada en forma de densidad, temperatura y velocidad. Sin embargo, en el caso del plasma, el campo magnético también almacena energía. Tanto Solar Orbiter como Parker Solar Probe contienen los instrumentos necesarios para medir tanto las propiedades de ese plasma como las del campo magnético solar.

A pesar de que las dos naves espaciales operan a diferentes distancias del Sol y en órbitas muy diferentes, en febrero de 2022 se alinearon a lo largo de la misma corriente de viento solar.

Parker, que opera a 13,3 radios solares (unos 9 millones de kilómetros) del Sol, en los bordes más externos de la corona solar, cruzó la corriente primero. Solar Orbiter, que trabaja mucho más lejos, a 128 radios solares (89 millones de kilómetros), cruzó la corriente un par de días después. «Este trabajo -asegura Yeimi- solo fue posible gracias a la alineación de las dos naves espaciales, que tomaron muestras de la misma corriente de viento solar en diferentes etapas de su viaje».

De este modo, el equipo pudo comparar las mediciones de una única corriente de plasma en dos lugares diferentes. Lo siguiente fue transformar las mediciones en cuatro magnitudes energéticas clave, que incluían una medición de la energía almacenada en el campo magnético, denominada flujo de energía de las olas.

Como la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra, el equipo comparó las lecturas de Parker con las de Solar Orbiter, con y sin los datos correspondientes a la energía magnética.

«Descubrimos -dice por su parte Samuel Badman, también primer autor conjunto del artículo- que si no incluimos el flujo de energía de las olas en Parker, no llegamos a igualar la cantidad de energía que tenemos en Solar Orbiter».

Cerca del Sol, donde Parker midió la corriente, alrededor del 10% de la energía total se encontró en el campo magnético. En Solar Orbiter, esta cifra había descendido a solo el 1%, pero el plasma había acelerado y se había enfriado más lentamente de lo esperado.

Comparando los números, el equipo concluyó que la energía magnética perdida estaba impulsando la aceleración y ralentizando el enfriamiento del plasma.

Los datos también muestran la importancia que tienen las configuraciones magnéticas conocidas como 'zigzags' para la aceleración del viento. Los zigzags son grandes desviaciones en las líneas del campo magnético solar y son muy buenos ejemplos de ondas de Alfvén. Se han observado desde las primeras sondas solares de la década de 1970, pero su tasa de detección ha aumentado drásticamente desde que Parker Solar Probe se convirtió en la primera nave espacial en volar a través de la corona solar en 2021 y descubrió que los zigzags se unen en parches.

El estudio confirma que estas áreas contienen suficiente energía para ser responsables de la aceleración y el calentamiento del viento solar rápido. «Este nuevo trabajo -afirma Daniel Müller, científico del proyecto Solar Orbiter de la ESA- reúne de forma experta algunas piezas importantes del rompecabezas solar. La combinación de datos recopilados por Solar Orbiter, Parker Solar Probe y otras misiones nos muestra cada vez más que en realidad diferentes fenómenos solares trabajan juntos para crear este extraordinario entorno magnético».

Para Badman, por otro lado, el trabajo puede resultar muy útil también fuera de nuestro propio Sistema Solar. «Nuestro Sol -dice el científico- es la única estrella del Universo en la que podemos medir directamente los vientos. Por lo tanto, lo que hemos aprendido aquí se aplica, por lo menos en potencia, a otras estrellas similares, y quizás a otros tipos de estrellas distintas al Sol, pero que también tienen vientos».

Ahora, el equipo trabaja en la ampliación de su análisis para aplicarlo a formas más lentas del viento solar, para ver si la energía del campo magnético del Sol también juega un papel en su aceleración y calentamiento.