Un instrumento español analiza la actividad del Sol

La publicación estadounidense The Astrophysical Journal ha publicado un suplemento de diecisiete artículos sobre los resultados de la misión SUNRISE, un telescopio solar de un metro de diámetro que durante dos viajes de cinco días en globo circunvolando el Ártico estudió la superficie del Sol con un detalle de unos cien kilómetros, una resolución única.

Si en su primer vuelo en 2009 SUNRISE permitió analizar lo que se conoce como el Sol en calma, que mostró una actividad inesperada, el segundo vuelo en 2013 ofreció una excelente vista de las regiones activas del Sol.

La actividad solar ha sido asociada a pequeñas edades de hielo en la Tierra o apagones a gran escala, como el que afectó a toda la provincia de Quebec (Canadá), debido a una tormenta solar en 1989. También puede deteriorar los satélites en órbita y producir cortes en las comunicaciones.

"Vivimos en la atmósfera extendida de una estrella, el Sol, de modo que resulta imprescindible conocer su comportamiento e intentar predecirlo", apunta Jose Carlos del Toro Iniesta, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que dirige y coordina la participación española en SUNRISE y cuyo grupo participa en catorce de los diecisiete artículos del suplemento.

El Sol muestra un ciclo de once años a lo largo de los que la actividad, traducida en el número de manchas y de fenómenos violentos, asciende hasta alcanzar un máximo y disminuye después hasta el mínimo solar. El origen de esta actividad reside en el campo magnético, que se genera en el interior del Sol y constituye un vínculo con las capas externas y un medio de almacenamiento, transporte y liberación de energía a lo largo de la superficie y la atmósfera solar. Un campo magnético que, finalmente, determina lo que se conoce como el 'clima espacial' de todo el sistema solar.

Pero aún no se comprenden del todo la estructura interna, las interacciones o los procesos físicos que gobiernan las estructuras magnéticas del Sol, y un instrumento español, denominado IMaX, está resultando extremadamente eficiente para ahondar en estas cuestiones.

IMaX (siglas inglesas de Imaging Magnetograph eXperiment, o magnetógrafo experimental con imagen) se ha diseñado para estudiar el campo magnético solar con una resolución sin precedentes y por periodos de varios días con una calidad de imagen constante, lo que permite avanzar de forma notable en el conocimiento del magnetismo solar, su evolución y sus efectos sobre el medio interplanetario.

Imagen del telescopio durante la preparación del lanzamiento en la base de Kiruna (Suecia). / Carlye Calvin (UCAR)

El Programa Nacional del Espacio español ha contribuido en SUNRISE con el diseño y elaboración de este magnetógrafo y el análisis estructural y térmico del sistema a través de cinco instituciones: el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Grupo de Astronomía y Ciencias del Espacio (GACE) de la Universidad de Valencia, el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y el Instituto de microgravedad “Ignacio da Riva” de la Universidad Politécnica de Madrid.

El instrumento IMaX es EL precursor del magnetógrafo PHI (siglas inglesas de Polarimetric and Helioseismic Imager, imaginador polarimétrico y heliosísmico) para la futura misión Solar Orbiter de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Campo magnético emerge en forma de bucles

El campo magnético solar emerge hacia la superficie generalmente en forma de bucles, cuyos pies presentan polaridades opuestas. Este sería el origen de lo que se conoce como región activa, y en este segundo vuelo IMaX pudo observar, con alta resolución, los primeros pasos en la aparición de dos de ellas.

Así pudo describirse con extremo detalle cómo el campo magnético interactúa con el material de la superficie del Sol, arrastrándolo en su camino. Este material, que funciona como lastre, termina por caer siguiendo las líneas de campo magnético y forma cascadas a los pies del bucle, que anclan el campo magnético a la fotosfera, o superficie visible del Sol. Finalmente, se detecta un aumento del brillo y un descenso del flujo magnético, que los investigadores interpretan como una reconexión magnética, o reconstrucción del campo magnético solar.

Bucles magnéticos en el Sol y reconstrucción de la evolución de un bucle magnético a lo largo de varios minutos con datos de IMaX. / NASA/IMaX

Estas reconexiones magnéticas, que tienen lugar frecuentemente en el Sol y en las que la energía magnética se convierte en calor, generan a veces fenómenos más intensos, e IMaX detectó y analizó lo que se conoce como bomba de Ellermann, un aumento explosivo y localizado del brillo y la temperatura que se relaciona con las regiones activas jóvenes y aún en desarrollo.

Se cree que las bombas de Ellermann responden a reconexiones magnéticas y se observan como llamaradas que parecen arraigadas a la fotosfera. Sin embargo, los datos de IMaX y las simulaciones computacionales asociadas muestran que esos drásticos cambios en la arquitectura del campo magnético solar se producen a mayor altura, unos doscientos kilómetros por encima de la fotosfera.

Otro resultado destacable de IMaX analiza los tubos a través de los que emerge el campo magnético. En ocasiones, estos tubos pueden convertirse en circuitos por los que fluye el plasma solar, y deberían observarse como un par de concentraciones magnéticas con distintas polaridades unidas por una serie de líneas de campo magnético.

"La observación directa de estas líneas había resultado imposible hasta ahora, pero los datos adquiridos con IMaX han permitido no solo resolver la topografía magnética de un tubo en tres dimensiones, sino también seguir su evolución durante tres minutos", destaca Jose Carlos del Toro Iniesta (IAA-CSIC). La reconstrucción muestra cómo el arco asciende mientras sus pies van separándose, y la secuencia finaliza cuando la estructura sobrepasa la fotosfera, lo que indica que muy posiblemente estas estructuras también puedan observarse en la cromosfera, o la envoltura externa del Sol.

"La misión SUNRISE, e IMaX concretamente, se han revelado como potentes herramientas para el estudio del Sol. Ya estamos preparando un tercer vuelo de la misión que tendrá lugar en 2021, con un nuevo IMaX+ y otro instrumento, el espectropolarímetro SCIP, adelanta Jose Carlos del Toro (IAA-CSIC). El primero seguirá siendo íntegramente español y el segundo lo hacemos con nuestros colegas japoneses de NAOJ.

SUNRISE, el telescopio polar

La misión SUNRISE ha heredado las fortalezas de algunos de los mejores observatorios solares, como la Torre Solar Sueca (SST, Isla de la Palma) o el satélite HINODE, e introduce mejoras como la observación en el ultravioleta o la posibilidad de obtener un mapa en dos dimensiones del campo magnético al completo, además de su inigualable resolución.

El empleo de un globo estratosférico le permite trabajar en condiciones similares a las de los satélites y evitar la degradación de las imágenes producida por las turbulencias de la baja atmósfera terrestre, pero con un coste y un tiempo de ejecución considerablemente menor. Además, su trayectoria circular por el Ártico le permite evitar los ciclos día y noche y observar el Sol de forma ininterrumpida durante toda la duración del vuelo, así como la generación de energía constante gracias a los paneles solares.

SUNRISE surcó el Ártico desde Suecia hasta alcanzar el norte de Canadá, donde la instrumentación fue recuperada. La misión es fruto de una colaboración entre la agencia espacial alemana DLR, la estadounidense NASA y el Programa Nacional del Espacio español.