La nave Solar Orbiter resuelve el misterio de los ‘latigazos magnéticos’ del Sol

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Gracias a los datos obtenidos en su paso más cercano al Sol, la nave espacial Solar Orbiter de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA ha encontrado pistas convincentes sobre el origen de los switchback o ‘latigazos’ magnéticos y apunta a cómo su mecanismo de formación podría contribuir a acelerar el viento solar.

Esta sonda ha realizado la primera teledetección o detección remota consistente con uno de estos swithbacks solares, es decir, grandes y repentinas desviaciones del campo magnético del viento solar que hacen que se doble sobre sí mismo.

La nueva observación proporciona una visión completa de la estructura, confirmando que tiene forma de S, como se había predicho. Además, la información obtenida indica que estos campos magnéticos que cambian rápidamente pueden tener su origen cerca de la superficie del Sol.

Aunque varias naves espaciales han volado antes por las regiones donde se observan, los datos in situ solo permiten una medición en un único punto y momento. En consecuencia, la estructura y la forma del cambio de dirección tienen que inferirse a partir de las propiedades del plasma y del campo magnético medidas en ese punto.

Cuando las naves espaciales germano-estadounidenses Helios 1 y 2 volaron cerca del Sol a mediados de la década de 1970, ambas registraron inversiones repentinas del campo magnético del Sol. Estas misteriosas inversiones eran siempre bruscas y temporales, y duraban desde unos segundos hasta varias horas antes de que el campo magnético volviera a su dirección original.

A finales de los años 90, la nave espacial Ulysses estudió también estas estructuras magnéticas a distancias mucho mayores de nuestra estrella. En lugar de un tercio del radio orbital de la Tierra desde el Sol, donde las misiones Helios hicieron su paso más cercano, Ulysses operó principalmente más allá de la órbita de la Tierra.

Su número aumentó drásticamente con la llegada de la sonda Solar Parker de la NASA en 2018. Esto indicó claramente que estos repentinos 'latigazos' del campo magnético son más numerosos cerca del Sol, y llevó a sugerir que eran causadas por torceduras en forma de S en el campo magnético. Este desconcertante comportamiento hizo que el fenómeno recibiera el nombre de switchbacks (curvas en zigzag en inglés, como las de una carretera en un puerto de montaña). Se propusieron varias ideas sobre cómo se podrían formar.

El 25 de marzo de 2022, la sonda Solar Orbiter estaba a un día de pasar cerca del Sol (lo situaba en la órbita del planeta Mercurio) y su instrumento Metis estaba tomando datos. Este dispositivo bloquea el resplandor de la luz de la superficie del Sol y toma imágenes de la atmósfera exterior del Sol, conocida como corona. Las partículas de esta zona están cargadas eléctricamente y siguen las líneas del campo magnético del Sol hacia el espacio. Las partículas cargadas eléctricamente se denominan plasma.

Aquel día Metis registró una imagen de la corona solar que mostraba un pliegue distorsionado en forma de S en el plasma coronal. Para Daniele Telloni, del Instituto Nacional de Astrofísica - Observatorio Astrofísico de Turín (Italia), se parecía sospechosamente a una switchback solar.

Suma de los instrumentos Metis y EUI

Comparando la imagen de Metis, que había sido tomada en luz visible, con una imagen simultánea tomada por el instrumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI) de Solar Orbiter, vio que el cambio de dirección candidato tenía lugar sobre una región activa catalogada como AR 12972.

Las regiones activas están asociadas a las manchas solares y a la actividad magnética. Un análisis más detallado de los datos de Metis mostró que la velocidad del plasma por encima de esta región era muy lenta, como cabría esperar de una región activa que todavía tiene que liberar su energía almacenada.

Daniele pensó al instante que esto se asemejaba a un mecanismo generador de los retrocesos propuesto por el profesor Gary Zank, de la Universidad de Alabama en Huntsville (EE UU). Su teoría analizaba la forma en que las diferentes regiones magnéticas cercanas a la superficie del Sol interactúan entre sí.

Cerca del Sol, y especialmente por encima de las regiones activas, hay líneas de campo magnético abiertas y cerradas. Las líneas cerradas son bucles de magnetismo que se arquean hacia la atmósfera solar antes de curvarse y desaparecer de nuevo en el Sol. Por encima de estas hay muy poco plasma que pueda escapar al espacio, por lo que la velocidad del viento solar tiende a ser lenta en este punto.

Las líneas de campo abiertas son lo contrario, emanan del Sol y conectan con el campo magnético interplanetario del sistema solar. Son autopistas magnéticas por las que el plasma puede fluir libremente, y dan lugar al rápido viento solar.

Daniele y Gary demostraron que los switchbacks se producen cuando hay una interacción entre una región de líneas de campo abiertas y una región de líneas de campo cerradas. Cuando las líneas de campo se agolpan, pueden volver a conectarse en configuraciones más estables.

Como si se tratara de un látigo, esto libera energía y provoca una perturbación en forma de S que se desplaza hacia el espacio, y que una nave espacial que pase por allí registrará como un switchback.

Confirmación del modelo matemático 

Según Gary Zank, que propuso una de las teorías sobre el origen de estos ‘latigazos’ solares, "la primera imagen de Metis que mostró Daniele me sugirió casi inmediatamente las caricaturas que habíamos dibujado al desarrollar el modelo matemático de un switchback. Por supuesto, la primera imagen era solo una instantánea y tuvimos que contener nuestro entusiasmo hasta que hubiéramos utilizado la excelente cobertura de Metis para extraer información temporal y hacer un análisis espectral más detallado de las propias imágenes. Los resultados fueron absolutamente espectaculares".

Junto con un equipo de otros investigadores, construyeron un modelo informático del fenómeno, y descubrieron que sus resultados guardaban un sorprendente parecido con la imagen de Metis, especialmente después de incluir los cálculos sobre cómo se alargaría la estructura durante su propagación hacia el exterior a través de la corona solar.

"Diría que esta primera imagen de un switchback magnético en la corona solar ha revelado el misterio de su origen", afirma Daniele Telloni, cuyos resultados se publican en un artículo en The Astrophysical Journal Letters.

Al comprender los swithcbacks, los físicos solares también pueden estar dando un paso hacia la comprensión de los detalles de cómo se acelera y calienta el viento solar lejos del Sol. Esto se debe a que cuando las naves espaciales vuelan a través de ellos, suelen registrar una aceleración localizada del viento solar.

"El siguiente paso es intentar relacionar estadísticamente los swithbacks observados in situ con sus regiones de origen en el Sol", dice Daniele. En otras palabras, hacer que una nave espacial vuele a través de la inversión magnética y poder ver lo que ha ocurrido en la superficie solar. Este es exactamente el tipo de ciencia de enlace para el que Solar Orbiter fue diseñado, pero no significa necesariamente que tenga que volar a través de la inversión magnética. Podría ser otra nave espacial, como Parker Solar Probe. Mientras los datos in situ y los de teledetección sean concurrentes, Daniele puede realizar la correlación.

"Este es exactamente el tipo de resultado que esperábamos con Solar Orbiter", apunta Daniel Müller, científico del proyecto de la ESA para Solar Orbiter, quien añade: "Con cada órbita, obtenemos más datos de nuestro conjunto de diez instrumentos. Basándonos en resultados como este, afinaremos las observaciones previstas para el próximo encuentro solar de Solar Orbiter con el objetivo de comprender la forma en que el Sol se conecta con el entorno magnético más amplio del sistema solar". Esta ha sido la primera aproximación de la nave al Sol, por lo que esperamos que se produzcan muchos más resultados interesantes".

La próxima aproximación del Solar Orbiter al Sol –de nuevo dentro de la órbita de Mercurio a una distancia de 0,29 veces la distancia Tierra-Sol– tendrá lugar el 13 de octubre. A principios de este mes, el 4 de septiembre, realizó un sobrevuelo de asistencia gravitatoria en Venus para ajustar su órbita alrededor del Sol. Los siguientes sobrevuelos de este planeta comenzarán a elevar la inclinación de la órbita de la nave para acceder a regiones de mayor latitud -más polares- del Sol.

 Valoración desde España

“Las consecuencias del diseño de una misión como Solar Orbiter, en la que, de forma inédita, se combinan 10 instrumentos –seis de sondeo remoto y cuatro de medida local – se producen regularmente y hoy conocemos uno los resultados más espectaculares”, ha destacado el investigador Jose Carlos del Toro del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) a SMC España.

“Se trata de la identificación directa, mediante el instrumento Metis, con ayuda del instrumento EUI, de uno de los fenómenos que han suscitado un gran interés reciente sobre la corona solar y los orígenes del viento solar”, subraya.

“La aproximación formidable de la nave Parker Solar Probe de la NASA había mostrado que la aparición de estas estructuras en forma de S es más común de lo esperado, sin embargo, nadie las había observado directamente”, concluye Del Toro, coinvestigador principal del instrumento SO/PHI a bordo de Solar Orbiter.