Astronomía Ciencia

Describen actividad silenciosa del sol: cuerda que guía rayos cósmicos

En 1989, el Sol dejó sin luz eléctrica a Québec (Canadá), el origen fue una tormenta solar causada por una onda de radiación y viento solar que se desprendió del sol (eyección de masa coronal, CME), la cual entró en contacto con nuestra magnetosfera, esa región en el espacio que, normalmente, protege a la Tierra de las tormentas solares (1), pero que en esa ocasión cruzó hasta impactar un transformador de energía (2).

En más de una ocasión el sol expulsó y expulsará material a través de esas CME, por ello las eyecciones son estudiadas desde la década de 1930 ya que existe la preocupación no solo de que las llamaradas afecten las plantas generadoras de electricidad, como ocurrió en Canadá, sino porque con mayor probabilidad los rayos cósmicos que llevan pueden dañar a los más de 2 mil 600 satélites de comunicaciones que orbitan la Tierra o poner en peligro la vida de los astronautas.

Las tormentas de baja energía originadas en esta estrella no figuraban en la lista de preocupaciones hasta la investigación (3) publicada en The Astrophysical Journal, en la que participaron científicos de diferentes institutos de la UNAM, entre ellos Alejandro Lara Sánchez, investigador del Instituto de Geofísica (IGf) de la UNAM (4), así como miembros de universidades estadounidenses, japonesas, alemanas y polacas.

Imagen de LASCO,  uno de los 11 instrumentos incluidos en la nave espacial conjunta NASA / ESA SOHO. Crédito: ESA y NASA.

Las eyecciones de masa se tenían y tienen bien vigiladas por instrumentos como LASCO, con tres coronógrafos que toman imágenes de lo que sucede alrededor del sol (en su corona), lo cual logran bloqueando la luz del sol (como un eclipse), pero a diferencia de los eventos grandes, a las eyecciones débiles no se les daba mucho seguimiento.

La nueva investigación del equipo de Alejandro Lara sacó de la caja de los olvidados a un fenómeno débil del sol conocido como nube magnética, una estructura de cuerda de flujo magnético, que sin ser tan energética o tener estallidos impresionantes pueden dirigir con su forma helicoidal (como la estructura del ADN) rayos cósmicos galácticos y entonces sí: “si hay un satélite o un astronauta recibirán más de estas partículas, que son bastante energéticas y hay que tomar precauciones”.

Viajes de partículas

Cuando una parte de la atmósfera del sol se carga constantemente de la energía magnética que este genera en su interior, dicha energía se acumulará y en algún momento una explosión saldrá al medio interplanetario a interactuar con lo que encuentre a su paso.

A los expertos de estas explosiones les interesa, entre otras cosas, cómo se transportan, sus colisiones y relaciones con otros eventos del cosmos.

Lo que suceda en el sol afecta todo el tiempo la vida en la Tierra. De forma menos frecuente, pero posible, su actividad puede afectar a las plantas generadoras de electricidad, mientras que de forma bella y en los polos puede desencadenar auroras boreales.

Aurora boreal en Islandia.

Entre estos fenómenos hay uno conocido desde hace un siglo: la actividad solar modula el flujo de rayos cósmicos. Pero, como señalamos antes, los eventos de bajas energías no llamaron la atención hasta la publicación del artículo “Cuerda de flujo magnético interplanetario observada a nivel del suelo por HAWC”.

Alejandro Lara indicó que a diferencia de la variabilidad de la actividad solar “el flujo de rayos cósmicos es constante a lo largo del tiempo, solo si hay una explosión de supernova o en el sol ese flujo cambia, sino, se espera que sea constante. Un cambio tiene que ser debido a un fenómeno particular, como la explosión de una estrella muy cercana, por ejemplo cuando hay explosiones en el sol vemos claramente un exceso de rayos cósmicos solares que son de muy baja energía, pero lo vemos”, detalló Lara Sánchez en entrevista. 

Crédito: esa

Mientras que los rayos cósmicos galácticos se originan fuera del sistema solar en explosiones de supernovas, hoyos negros y estrellas de neutrones, el flujo de estos es modulado por el campo magnético del sol, el cual permite(5) de mejor o peor manera el acceso de estas partículas a la Tierra. 

HAWC y el evento de octubre de 2016 

Pero en octubre de 2016 el Observatorio High Altitude Water Cherenkov (HAWC), ubicado en una meseta entre los volcanes Sierra Negra y Pico de Orizaba, detectó un aumento en el flujo de rayos cósmicos galácticos y los investigadores no tenían una fuente conocida, nada grande pasaba en el sol, ni había eventos cercanos con los cuales relacionar la elevación.

El investigador detalló que a veces detectan aumentos en el flujo debido a cambios en la atmósfera de la Tierra, como la presión o tormentas eléctricas, pero que nada de eso existió al momento del aumento que HAWC refería. ¡Tenía que ser algo más!

Modelo de uno de los 300 detectores Cherenkov en Puebla.

El instrumento HAWC (6) pudo observar este incremento por su alta sensibilidad a cambios pequeños en el flujo de rayos, el modo de operación de HAWC que usó el equipo de investigación fue el TDC-scaler. 

En este, se detectan “todos los rayos cósmicos que están llegando, a través de partículas secundarias, no importa si es alta o baja energía. Cuenta todos los rayos cósmicos”.

HAWC tiene 300 detectores Cherenkov, cada uno de 7.3 metros de diámetro y 4.5 metros de profundidad. Cada detector está lleno de agua y tiene cuatro tubos fotomultiplicadores, estos últimos son dispositivos que detectan fotones y convierten la luz en señal eléctrica.

Mientras que el agua filtrada permite el Efecto Cherenkov dentro de los tanques, un fenómeno que surge cuando la velocidad de la luz se reduce en medios diferentes al vacío.  Una vez ralentizada la luz, las partículas cargadas (esas que vienen del cosmos) viajan más rápido que la luz dentro del agua y provocan luz azul, este es el efecto Cherenkov, el mismo que pueden medir los fotomultiplicadores de HAWC.

En su artículo, los investigadores refieren que “la gran superficie y la baja rigidez de corte de HAWC lo convierten en un instrumento adecuado para estudiar la modulación solar en general y el clima espacial en particular”. Pero si no tenían un evento importante que explicara el exceso de partículas, ¿cómo explicar que llegaron más rayos?

Espirales silenciosas: nubes magnéticas

Días antes de la detección de HAWC, el Ensamblaje de Imágenes Atmosféricas (AIA, por sus siglas en inglés) que crea imágenes del sol, a bordo del Observatorio de Dinámica Solar detectó una eyección de masa coronal lenta.

Crédito: Alejandro Salazar Méndez

Por la cercanía temporal de los eventos, el de AIA y el de HAWC, los investigadores pusieron su atención en el sol, pero no para buscar rayos cósmicos solares, pues el exceso era de rayos galácticos, sino en las nubes magnéticas, esas que con su forma helicoidal podrían ser la explicación al aumento, ya que dirigiría los rayos cósmicos que encuentra a su paso a un solo punto.

El experto en ciencias espaciales detalló que el efecto de las nubes magnéticas es similar al de un embudo, “en una lluvia fuerte caen gotas en todos lados, no sentimos su impacto, no pasa nada, pero si esta lluvia se encauza por un río, la corriente puede ser peligrosa”.

¿Pero, por qué son helicoidales?, hasta ahora esa información es incierta, Alejandro Lara explicó dos posibilidades para que tomen esta forma:

1) Que se configuren en la zona convectiva del sol “desde el interior, donde se generan los campos magnéticos y se mueve mucho el plasma”.

2) Que se deba a la rotación diferencial, es decir que el material que está en el ecuador rote más rápido que el de los polos y ocasione un torcimiento de las líneas de flujo magnético.

Efectos e investigaciones futuras

Vientos, ráfagas o tormentas solares son fenómenos del clima espacial y tal como el estudio del clima en la Tierra, se trata de entender un entorno, identificar riesgos y, en la medida de lo posible, delimitar ciclos sobre su comportamiento. Por ejemplo en nuestro planeta tenemos señaladas las estaciones del año, invierno, verano, otoño y primavera, cuando se trata del sol su actividad se estudia de forma cíclica en períodos  (7) de 11 años, detectando puntos máximos y mínimos de actividad. 

Se sabe que las partículas cósmicas pueden impactar los sistemas de satélites, a veces depositando (8) energía que genera errores o daños en la tecnología.

Aunque en términos del Universo la energía del sol es baja, a nivel local es de las más altas y esta actividad puede afectar a los satélites y a la posible vida en el espacio.

“Son partículas pequeñísimas, subatómicas, protones sobre todo de muy alta energía, a lo mejor una partícula de muy alta energía que toque un chip en un satélite o que entre a una célula no va a causar gran daño, el problema es cuando esto se repite constantemente o cuando el flujo aumenta, pues son muchas partículas con mucha energía que están bombardeando un chip o un tejido, cuando pasa algo así los astronautas se tienen que resguardar, no pueden andar así en el espacio”, puntualizó Lara Sánchez.

El geofísico también destacó que la sensibilidad del instrumento al detectar cambios pequeños en el flujo de cambios cósmicos, “abre puertas para varias investigaciones, incluido el clima espacial, pero sobre todo sobre el transporte de rayos cósmicos. Podríamos entrar a estudiar con más detalle este tipo de interacción partícula con campo magnético”.

Fuentes:

  1. http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/139/A4.pdf?sequence=4
  2. https://www.nuevatribuna.es/articulo/sociedad/dia-sol-trajo-oscuridad-30-aniversario-gran-apagon-solar-quebec/20190310183501160877.html 
  3. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abc344/meta
  4. https://www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2021_097.html
  5. https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/galactic-cosmic-rays
  6. https://www.hawc-observatory.org/details/
  7. https://redlcc.org/2016/07/31/la-erupcion-de-un-gigantesco-filamento-solar/ 
  8. https://www.swpc.noaa.gov/impacts/satellite-communications 

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