¿Por qué la corona solar es mucho más caliente que la superficie del Sol?

El fenómeno llamado ‘ondas cinéticas de Alfvén (KAW)’ está sirviendo de referencia para los investigadores de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), parte del Sistema Universitario de Alabama, donde están explorando sus aspectos críticos para proporcionar nuevos conocimientos sobre un antiguo misterio de la heliofísica.  

En un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal, Syed Ayaz, asistente de investigación de posgrado en el Centro de Plasma Espacial e Investigación Aeronómica (CSPAR) de la UAH, examinó el papel potencialmente fundamental de las KAW en el calentamiento de la corona solar, acercando a la ciencia un paso más a la solución del enigma de por qué la corona es mucho más caliente que la superficie del propio Sol. 

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Durante décadas, se ha demostrado que las ondas de Alfvén son las mejores candidatas para transportar energía de un lugar a otro, destacando el papel potencial de las ondas de Alfvén en el impulso del calor coronal.  

Este artículo utiliza un enfoque novedoso para modelar partículas energéticas en plasmas espaciales, como las observadas por satélites como Viking y Freja, para responder cómo la energía electromagnética de las ondas, al interactuar con las partículas, se transforma en calor durante el proceso de amortiguación a medida que las ondas se mueven a través del espacio.  

“Nuestra investigación explora los campos electromagnéticos perturbados, el vector de flujo de Poynting y la tasa de entrega de energía de las ondas de Alfvén en la atmósfera solar”, afirma Ayaz.  

Todo lo que sabemos de la corona solar  

Corona solar/ Crédito: Mongta Studio / Shutterstock

La corona, o atmósfera solar, es una región enigmática que rodea nuestra estrella y que se extiende mucho más allá del disco visible del Sol, a unos ocho millones de kilómetros por encima de la superficie del Sol. Sin embargo, la corona también se caracteriza por temperaturas extraordinariamente altas, un misterio que ha cautivado a los astrofísicos durante casi setenta años. 

Esta nueva investigación de estas ondas a escalas muy pequeñas, la llamada escala cinética en un plasma ofrece importantes perspectivas sobre el problema crítico de cómo la energía en un campo magnético se transforma para calentar un plasma que comprende partículas cargadas como protones y electrones.  

Una de las razones por las que el trabajo de Syed es importante es porque todavía no entendemos por qué la atmósfera del Sol tiene más de un millón de grados, en comparación con la superficie del Sol, que tiene una temperatura comparativamente fría de 6.500 grados. 

Las ondas cinéticas de Alfvén, abundantes en todo el universo de plasma, son oscilaciones de los iones y del campo magnético a medida que se desplazan por el plasma solar. Las ondas se forman por los movimientos en la fotosfera, la capa exterior del Sol que irradia luz visible y hasta ahora, ninguna misión espacial ha proporcionado predicciones sobre estos fenómenos cerca del Sol, específicamente, dentro del rango de radios solares de 0 a 10. 

Intercambios acalorados 

Eyección de masa coronal desde el Sol // SOHO

“Nos centramos en el calentamiento y el intercambio de energía que facilitan las ondas KA”, señala el investigador. “El motivo del gran interés por estas ondas radica en su capacidad para transportar energía. Los datos de observación de numerosas naves espaciales e investigaciones teóricas han demostrado de forma consistente que las ondas KAW se disipan y contribuyen al calentamiento coronal solar durante su propagación en el espacio”. 

Debido a estas propiedades únicas, las ondas proporcionan un mecanismo crítico para transferir energía, importante para comprender el intercambio de energía entre los campos electromagnéticos y las partículas de plasma. “Las ondas electromagnéticas operan en pequeñas escalas cinéticas y son capaces de soportar fluctuaciones paralelas del campo eléctrico y magnético, lo que permite una transferencia de energía entre el campo de ondas y las partículas de plasma a través de un fenómeno llamado interacciones de Landau”, dice Ayaz.  

El presente trabajo utilizó y explora el mecanismo de amortiguación de Landau, que ocurre cuando las partículas que se mueven paralelas a una onda tienen velocidades comparables a la velocidad de fase de la onda. 

La amortiguación de Landau es una disminución exponencial en función del tiempo de determinadas ondas en el plasma. Cuando las partículas interactúan con la onda, reciben/pierden energía, un término llamado 'condición resonante’.  

Esto puede dar como resultado que la onda entregue su energía a las partículas o que gane energía de ellas, lo que hace que las partículas se amortigüen o crezcan. Esta investigación descubre que las ondas KAW se disipan rápidamente, transfiriendo completamente su energía a las partículas de plasma en forma de calentamiento. Esta transferencia de energía acelera las partículas a lo largo de distancias espaciales más largas, lo que afecta significativamente la dinámica del plasma. 

Los conocimientos analíticos obtenidos a partir de este estudio tendrán una aplicación práctica para comprender los fenómenos que se producen en la atmósfera solar, en particular para arrojar luz sobre el importante papel que desempeñan las partículas no térmicas en los procesos de calentamiento.