Ciclotrones iónicos en el viento solar
Solar CME 11:08
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El viento solar se expande desde el Sol a 500 kilómetros por segundo. Crédito: Goddard Space Flight Center.
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Utilizando información de una antigua sonda
solar de la NASA, llamada Wind, investigadores parecen haber hallado
señales de la fuente de energía del viento solar: ciclotrones de ondas
iónicas.
Este hallazgo capturó la atención de investigadores en fusión nuclear. Pero, la teoría deberá esperar al lanzamiento de una nueva sonda solar, a fines de esta década.
El descubrimiento fue realizado por un grupo de astrónomos tratando de resolver un misterio antiguo: ¿qué calienta y acelera el viento solar?
El viento solar es un flujo rápido y caliente de gas magnetizado que se expande hacia el espacio desde las zonas altas de la ‘atmósfera’ del Sol. Está compuesto de iones de helio e hidrógeno con una aspersión de elementos pesados. Los investigadores lo comparan con un recipiente de agua hirviendo sobre una estufa, porque el Sol es una fuente de ebullición hacia el sistema solar.
“Pero, el viento solar hace algo diferente al vapor que vemos en nuestras cocinas”, señaló Adam Szabo, del Goddard Space Flight Center de la NASA. “El vapor de nuestras cocinas se enfría y desacelera a medida que se eleva, mientras el viento solar se acelera, incluso triplica su velocidad mientras atraviesa la corona. Además, algo desde el interior del viento solar sigue añadiendo calor aún cuando sigue avanzando hacia el frío del espacio”.
Encontrar ese ‘algo’ ha sido el objetivo de los investigadores por décadas. En los ’70 y ’80, las observaciones de las dos sondas Helios -desarrolladas por Estados Unidos y Alemania- establecieron la base para algunas teorías, que incluyen la inestabilidad del plasma, ondas magnetohidrodinámicas, y turbulencias calientes. Estrechar las posibilidades fue un desafío. La respuesta podría haber estado oculta en la información brindada por la antigua sonda solar Wind.
Lanzada en 1994, Wind es tan antigua que utiliza cintas magnéticas similares a las viejas cintas de ocho pistas para grabar y reproducir la información. Sin embargo, esta nave puede decirse que ha sido exitosa, ya que gracias a sus pesados escudos y sus sistemas dobles para resguardar las fallas provocadas por la actividad solar, todavía funciona pese a que mucha de su tecnología es obsoleta. Algún investigador de la NASA ha denominado a Wind la “Battlestar Gallactica” de la flota heliofísica, porque ha sobrevivido a dos ciclos solares completos.
“Después de todos estos años, Wind todavía nos sigue enviando excelente información”, indicó Szabo, científico de la misión. “Y todavía tiene 60 años de reserva de combustible en sus tanques”.
Utilizar Wind para desentrañar el misterio, fue ‘pan comido’ para Justin Kasper del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Él y su equipo procesaron 19 años de información acumulada sobre temperaturas del viento solar, lecturas de campos magnéticos y de energía.
¿Por qué Kasper y su equipo pudieron develar este misterio? Tal vez las formas investigativas utilizadas eran las adecuadas en este momento. Pero pensemos en el tiempo y esfuerzo aplicados en la manipulación y comprensión de todos esos archivos.
“Pienso que lo encontramos. La fuente de impulso del viento solar es un ciclotrón de ondas iónicas”, expresó el investigador.
Un ciclotrón de ondas iónicas está compuesto por protones que circulan en ondas rítmicas alrededor del campo magnético solar. De acuerdo a la teoría desarrollada por Phil Isenberg (University of New Hampshire), y ajustada por Vitaly Galinsky y Valentin Shevchenko (UC San Diego), los ciclotrones de ondas iónicas surgen desde el Sol, y al transportarse sobre el viento solar calientan los gases a millones de grados y aceleran su flujo a miles de kilómetros por hora. Los hallazgos de Kasper confirman que los ciclotrones de ondas iónicas están activos, al menos en cercanías de la Tierra, donde opera la sonda Wind.
Kasper advirtió que los ciclotrones de ondas iónicas hacen mucho más que calentar y acelerar el viento solar. “También se encuentran en algunas de las más raras propiedades del viento solar”.
El viento solar es diferente al viento terrestre, donde los vientos atmosféricos acarrean nitrógeno, oxígeno y vapor de agua de manera conjunta y estos elementos comparten igual velocidad y temperatura. El Sol, que puede tener sus polos magnéticos con similar polaridad, y las zonas ecuatoriales con otra diferente, también tiene peculiaridades en el flujo de energía que denominamos viento solar.
Elementos químicos del viento solar, como el hidrógeno, el helio y los iones pesados fluyen a velocidades diferentes, poseen temperaturas distintas y, lo más extraño de todo, a nuestros ojos, las temperaturas varían según la dirección que adoptan.
“Nos hemos preguntado por mucho tiempo por qué los elementos más pesados se mueven más rápido y tienen temperaturas más elevadas que los más livianos”, expresó Kasper. “Esto es absolutamente imprevisto”.
La teoría de ciclotrones iónicos explica que los iones pesados sintonizan mejor con los ciclotrones de ondas iónicas. En comparación con sus parientes más livianos, aquellos obtienen mayor energía y temperatura a medida que avanzan en el espacio.
El comportamiento de los iones pesados intriga a los investigadores de la fusión. Kasper explicó que “cuando se observan los reactores de fusión en la Tierra, uno de los grandes desafíos es la contaminación.
Los iones pesados que chisporrotean de las paredes metálicas de la cámara de fusión entran en el plasma donde ocurre la fusión. Los iones pesados irradian calor. Esto puede enfriar tanto el plasma que cierra la reacción de la fusión”.
El ciclotrón de ondas iónicas, del tipo identificado por Kasper en el viento solar podría brindar un camino para revertir ese proceso. Teóricamente, podrían ser utilizados para calentar o remover los iones pesados, restableciendo el balance térmico para fusionar el plasma.
“He sido invitado a varias conferencias sobre fusión para exponer sobre nuestro trabajo sobre el viento solar”, dijo Kasper.
El próximo paso, según acuerdan Kasper y Szabo, es determinar si los ciclotrones de ondas iónicas se comportan de igual forma en la profundidad de la atmósfera del Sol, donde comienza a desarrollarse el viento solar.
Para obtener respuestas, la NASA está planeando enviar una sonda dentro del Sol. La sonda solar Plus, cuyo lanzamiento está programado para 2018, se sumergirá de tal manera en la atmósfera solar que el Sol parecerá 23 veces más ancho de lo que podemos apreciarlo en los cielos terrestres. En su mayor acercamiento, la sonda solar Plus deberá resistir temperaturas superiores a los 1400 grados C y sobrevivir a ráfagas de radiación a niveles no experimentados previamente por nave espacial alguna.
El objetivo de la misión de Plus es tomar muestras del plasma y los campos magnéticos solares, fuente del viento solar.
“Con la sonda solar Plus podremos realizar pruebas específicas de la teoría de los ciclotrones de ondas iónicas utilizando sensores más actualizados que los disponibles con Wind”, expresó Kasper. “Esto nos dará una comprensión más profunda de la fuente de energía del viento solar”, añadió.
La investigación detallada en Science at NASA fue publicada en Physical Review Letters el 28 de Febrero 2013: “Sensitive Test for Ion-Cyclotron Resonant Heating in the Solar Wind”, por Justin Kasper et al.
Este hallazgo capturó la atención de investigadores en fusión nuclear. Pero, la teoría deberá esperar al lanzamiento de una nueva sonda solar, a fines de esta década.
El descubrimiento fue realizado por un grupo de astrónomos tratando de resolver un misterio antiguo: ¿qué calienta y acelera el viento solar?
El viento solar es un flujo rápido y caliente de gas magnetizado que se expande hacia el espacio desde las zonas altas de la ‘atmósfera’ del Sol. Está compuesto de iones de helio e hidrógeno con una aspersión de elementos pesados. Los investigadores lo comparan con un recipiente de agua hirviendo sobre una estufa, porque el Sol es una fuente de ebullición hacia el sistema solar.
“Pero, el viento solar hace algo diferente al vapor que vemos en nuestras cocinas”, señaló Adam Szabo, del Goddard Space Flight Center de la NASA. “El vapor de nuestras cocinas se enfría y desacelera a medida que se eleva, mientras el viento solar se acelera, incluso triplica su velocidad mientras atraviesa la corona. Además, algo desde el interior del viento solar sigue añadiendo calor aún cuando sigue avanzando hacia el frío del espacio”.
Encontrar ese ‘algo’ ha sido el objetivo de los investigadores por décadas. En los ’70 y ’80, las observaciones de las dos sondas Helios -desarrolladas por Estados Unidos y Alemania- establecieron la base para algunas teorías, que incluyen la inestabilidad del plasma, ondas magnetohidrodinámicas, y turbulencias calientes. Estrechar las posibilidades fue un desafío. La respuesta podría haber estado oculta en la información brindada por la antigua sonda solar Wind.
Lanzada en 1994, Wind es tan antigua que utiliza cintas magnéticas similares a las viejas cintas de ocho pistas para grabar y reproducir la información. Sin embargo, esta nave puede decirse que ha sido exitosa, ya que gracias a sus pesados escudos y sus sistemas dobles para resguardar las fallas provocadas por la actividad solar, todavía funciona pese a que mucha de su tecnología es obsoleta. Algún investigador de la NASA ha denominado a Wind la “Battlestar Gallactica” de la flota heliofísica, porque ha sobrevivido a dos ciclos solares completos.
“Después de todos estos años, Wind todavía nos sigue enviando excelente información”, indicó Szabo, científico de la misión. “Y todavía tiene 60 años de reserva de combustible en sus tanques”.
Utilizar Wind para desentrañar el misterio, fue ‘pan comido’ para Justin Kasper del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Él y su equipo procesaron 19 años de información acumulada sobre temperaturas del viento solar, lecturas de campos magnéticos y de energía.
¿Por qué Kasper y su equipo pudieron develar este misterio? Tal vez las formas investigativas utilizadas eran las adecuadas en este momento. Pero pensemos en el tiempo y esfuerzo aplicados en la manipulación y comprensión de todos esos archivos.
“Pienso que lo encontramos. La fuente de impulso del viento solar es un ciclotrón de ondas iónicas”, expresó el investigador.
Un ciclotrón de ondas iónicas está compuesto por protones que circulan en ondas rítmicas alrededor del campo magnético solar. De acuerdo a la teoría desarrollada por Phil Isenberg (University of New Hampshire), y ajustada por Vitaly Galinsky y Valentin Shevchenko (UC San Diego), los ciclotrones de ondas iónicas surgen desde el Sol, y al transportarse sobre el viento solar calientan los gases a millones de grados y aceleran su flujo a miles de kilómetros por hora. Los hallazgos de Kasper confirman que los ciclotrones de ondas iónicas están activos, al menos en cercanías de la Tierra, donde opera la sonda Wind.
Kasper advirtió que los ciclotrones de ondas iónicas hacen mucho más que calentar y acelerar el viento solar. “También se encuentran en algunas de las más raras propiedades del viento solar”.
El viento solar es diferente al viento terrestre, donde los vientos atmosféricos acarrean nitrógeno, oxígeno y vapor de agua de manera conjunta y estos elementos comparten igual velocidad y temperatura. El Sol, que puede tener sus polos magnéticos con similar polaridad, y las zonas ecuatoriales con otra diferente, también tiene peculiaridades en el flujo de energía que denominamos viento solar.
Elementos químicos del viento solar, como el hidrógeno, el helio y los iones pesados fluyen a velocidades diferentes, poseen temperaturas distintas y, lo más extraño de todo, a nuestros ojos, las temperaturas varían según la dirección que adoptan.
“Nos hemos preguntado por mucho tiempo por qué los elementos más pesados se mueven más rápido y tienen temperaturas más elevadas que los más livianos”, expresó Kasper. “Esto es absolutamente imprevisto”.
La teoría de ciclotrones iónicos explica que los iones pesados sintonizan mejor con los ciclotrones de ondas iónicas. En comparación con sus parientes más livianos, aquellos obtienen mayor energía y temperatura a medida que avanzan en el espacio.
El comportamiento de los iones pesados intriga a los investigadores de la fusión. Kasper explicó que “cuando se observan los reactores de fusión en la Tierra, uno de los grandes desafíos es la contaminación.
Los iones pesados que chisporrotean de las paredes metálicas de la cámara de fusión entran en el plasma donde ocurre la fusión. Los iones pesados irradian calor. Esto puede enfriar tanto el plasma que cierra la reacción de la fusión”.
El ciclotrón de ondas iónicas, del tipo identificado por Kasper en el viento solar podría brindar un camino para revertir ese proceso. Teóricamente, podrían ser utilizados para calentar o remover los iones pesados, restableciendo el balance térmico para fusionar el plasma.
“He sido invitado a varias conferencias sobre fusión para exponer sobre nuestro trabajo sobre el viento solar”, dijo Kasper.
El próximo paso, según acuerdan Kasper y Szabo, es determinar si los ciclotrones de ondas iónicas se comportan de igual forma en la profundidad de la atmósfera del Sol, donde comienza a desarrollarse el viento solar.
Para obtener respuestas, la NASA está planeando enviar una sonda dentro del Sol. La sonda solar Plus, cuyo lanzamiento está programado para 2018, se sumergirá de tal manera en la atmósfera solar que el Sol parecerá 23 veces más ancho de lo que podemos apreciarlo en los cielos terrestres. En su mayor acercamiento, la sonda solar Plus deberá resistir temperaturas superiores a los 1400 grados C y sobrevivir a ráfagas de radiación a niveles no experimentados previamente por nave espacial alguna.
El objetivo de la misión de Plus es tomar muestras del plasma y los campos magnéticos solares, fuente del viento solar.
“Con la sonda solar Plus podremos realizar pruebas específicas de la teoría de los ciclotrones de ondas iónicas utilizando sensores más actualizados que los disponibles con Wind”, expresó Kasper. “Esto nos dará una comprensión más profunda de la fuente de energía del viento solar”, añadió.
La investigación detallada en Science at NASA fue publicada en Physical Review Letters el 28 de Febrero 2013: “Sensitive Test for Ion-Cyclotron Resonant Heating in the Solar Wind”, por Justin Kasper et al.
Fuentes:
Posteado por Valterber
el 11:08.
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