¿Por qué la atmósfera del Sol es más caliente que su superficie?

Quizás no lo sabías, pero la atmósfera del sol es cientos de veces más caliente que su superficie. Este misterio lleva años rompiendo la cabeza a los científicos, pero un equipo de investigadores de la Universidad de Aberystwyth parece haber encontrado pruebas que demuestran y dan una explicación definitiva a este proceso en el interior de nuestra estrella.

La superficie visible del sol, o la fotosfera , es de alrededor de 6.000 grados Celsius (11.000 grados Fahrenheit). Pero unos pocos miles de kilómetros por encima de él, una pequeña distancia si consideramos el tamaño del sol, la atmósfera solar, también llamada corona , es cientos de veces más caliente. La corona alcanza un millón de grados C o más (más de 1.8 millones de grados F).

Este pico de temperatura, a pesar de estar a mayor distancia de la principal fuente de energía del sol, se ha observado en la mayoría de las estrellas. Representa un rompecabezas fundamental sobre el que los astrofísicos han reflexionado durante décadas.

En 1942, el científico sueco Hannes Alfvén propuso una explicación. Teorizó que las ondas magnetizadas de plasma podrían transportar enormes cantidades de energía a lo largo del campo magnético del sol desde su interior hasta la corona. La energía pasaría por alto la fotosfera antes de explotar con calor en la atmósfera superior del sol.

Los científicos aceptaron inicialmente la teoría, pero aún se necesitaban pruebas, una observación empírica de la existencia de estas ondas. Un estudio reciente finalmente lo ha logrado. Ha validado la teoría de Alfvén de hace 80 años y nos ha acercado un paso más a poder aprovechar este fenómeno de alta energía aquí en la Tierra. 

El artículo con las conclusiones del estudio ha sido publicado en la revista científica The Conversations.

Pruebas modernas para una vieja teoría

El problema del calentamiento coronal se dio a conocer a finales de la década de 1930. Fue entonces cuando el espectroscopista sueco Bengt Edlén y el astrofísico alemán Walter Grotrian observaron por primera vez fenómenos en la corona solar que solo podrían estar presentes si su temperatura era de unos varios millones de grados centígrados .

Esto representa temperaturas hasta 1.000 veces más altas que la fotosfera debajo de ella, que es la superficie del sol que podemos ver desde la Tierra. Calcular el calor de la fotosfera siempre ha sido relativamente sencillo para los científicos. Solo se necesita medir la luz que nos llega del sol y compararla con modelos de espectro que predicen la temperatura de la fuente de luz.

Durante muchas décadas de estudio, los científicos han estimado constantemente la temperatura de la fotosfera en alrededor de 6.000 grados C (11.000 grados F). El hallazgo de Edlén y Grotrian de que la corona del sol es mucho más caliente que la fotosfera, a pesar de estar más lejos del núcleo del sol , su principal fuente de energía, provocó que la comunidad científica se rascase la cabeza extrañada.

Convección y atmósfera solar.

Los científicos observaron las propiedades del sol para intentar explicar esta disparidad. El sol está compuesto casi en su totalidad por plasma, que es un gas altamente ionizado que lleva una carga eléctrica. El movimiento de este plasma en la zona de convección, la parte superior del interior solar, produce enormes corrientes eléctricas y fuertes campos magnéticos.

La convección arrastra estos campos hacia arriba desde el interior del sol. Burbujean en su superParficie visible en forma de manchas solares oscuras, que son grupos de campos magnéticos que pueden formar una variedad de estructuras magnéticas en la atmósfera solar.

Aquí es donde entra en juego la teoría de Alfvén. Él razonó que dentro del plasma magnetizado del sol cualquier movimiento de partículas cargadas eléctricamente perturbaría el campo magnético. Esto crearía ondas capaces de transportar enormes cantidades de energía a lo largo de grandes distancias, desde la superficie del sol hasta la atmósfera superior. El calor viaja a lo largo de los llamados tubos de flujo magnético solar antes de estallar en la corona, produciendo su alta temperatura.

Este diagrama muestra las múltiples capas del Sol, incluida su atmósfera/ Wikimedia commons

Estas ondas de plasma magnético ahora se llaman ondas de Alfvén, y su papel en la explicación del calentamiento coronal llevó a Alfvén a recibir el Premio Nobel de Física en 1970 .

Observando las ondas de Alfvén

Pero aún estaba el problema de observar realmente estas ondas. Están sucediendo tantas cosas en la superficie del Sol y en su atmósfera, desde fenómenos muchas veces más grandes que la Tierra hasta pequeños cambios por debajo de la resolución de nuestra instrumentación, que la evidencia de observación directa de las ondas de Alfvén en la fotosfera jamás se había logrado.

Pero los avances recientes en instrumentación han abierto una nueva ventana a través de la cual podemos examinar la física solar. Uno de esos instrumentos es el Espectropolarímetro Interferométrico Bidimensional (IBIS) para espectroscopía de imágenes, instalado en el Telescopio Solar Dunn en el estado estadounidense de Nuevo México. Este instrumento ha permitido a los científicos realizar observaciones y mediciones mucho más detalladas del Sol.

Combinado con buenas condiciones de visualización, simulaciones por computadora avanzadas y los esfuerzos de un equipo internacional de científicos de siete instituciones de investigación, se ha usado el IBIS para confirmar finalmente, y por primera vez, la existencia de las ondas de Alfvén en tubos de flujo magnético solar.

Una nueva fuente de energía

El descubrimiento directo de las ondas de Alfvén en la fotosfera solar es un paso importante hacia la explotación de su alto potencial energético aquí en la Tierra. Podría ayudarnos a investigar la fusión nuclear, por ejemplo, que es el proceso que tiene lugar dentro del sol y que implica que pequeñas cantidades de materia se conviertan en enormes cantidades de energía. Las centrales nucleares actuales utilizan la fisión nuclear, que según los críticos produce desechos nucleares peligrosos, especialmente en el caso de los desastres, como el que tuvo lugar en Fukushima en 2011.

La creación de energía limpia mediante la reproducción de la fusión nuclear del sol en la Tierra sigue siendo un gran desafío. Necesitaríamos generar 100 millones de grados Celsius rápidamente para que ocurra la fusión. Las ondas de Alfvén podrían ser una forma de hacerlo. Nuestro creciente conocimiento del sol muestra que sin duda es posible en las condiciones adecuadas.

Los científicos también esperan tener pronto más revelaciones solares gracias a nuevas e innovadoras misiones e instrumentos. El satélite Solar Orbiter de la Agencia Espacial Europea se encuentra ahora en órbita alrededor del sol, entregando imágenes y tomando medidas de las regiones polares inexploradas de la estrella. A nivel terrestre, también se espera que la presentación de nuevos telescopios solares de alto rendimiento mejore nuestras observaciones del sol desde la Tierra.

Telescopio solar EST, Europa clava sus ojos en el Sol.

Aún quedan muchos secretos del sol por descubrir, incluidas las propiedades del campo magnético solar. Así que, este es un momento emocionante para los estudios solares, explican los autores del estudio. La detección de las ondas de Alfvén es solo una contribución a un campo más amplio que busca desentrañar los misterios restantes del sol para aplicaciones prácticas en la Tierra.