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ASTRONOMÍA

El costo de brillar tanto

La emisión de partículas de luz extrae energía de la capa más externa del Sol y la hace girar más lentamente

NASA/SDO, HMI Manchas tiñen la superficie del Sol: el planeta Venus es el círculo oscuro en lo alto a la izquierdaNASA/SDO, HMI

El Sol parece pagar un precio por alimentar con luz y calor a los planetas situados a su alrededor. Tanta generosidad le extrae, aunque muy lentamente, parte de la energía que lo mantiene girando en torno de su propio eje. Todavía no se sabe qué influencia puede tener esto a corto o a larguísimo plazo sobre la vida de la estrella más importante del vecindario. Se sospecha que este fenómeno puede tener efectos sobre los campos magnéticos que se generan en el interior del Sol, responsables de las explosiones que arrojan partículas y energía al espacio y que llegan a la atmósfera terrestre, perjudicando el funcionamiento de satélites. Pero se hace necesario investigar más.

“El Sol no parará de girar en los próximos tiempos, pero descubrimos que la misma radiación solar que calienta la Tierra está ‘frenando’ al Sol”, afirmó el astrónomo Jeff Kuhn, de la Universidad de Hawái, en Estados Unidos, en un comunicado a la prensa en diciembre de 2016.

Kuhn coordinó un estudio que en el cual se midió con precisión una sutil desaceleración de la velocidad de rotación de las capas más externas del Sol. Publicado en febrero en la revista Physical Review Letters, este trabajo contó con la participación del astrónomo brasileño Marcelo Emilio, docente de la Universidad Estadual de Ponta Grossa (UEPG), en el estado de Paraná, y verificó que las capas más alejadas del centro de la estrella se mueven más lentamente que las más internas.  Con base en las mediciones realizadas ahora, los investigadores calculan que la fotósfera, la capa de la atmósfera responsable de la emisión de las partículas de luz que escapan del Sol, tiene una velocidad de rotación alrededor de un 2% menor que la de zonas más profundas de la estrella.

Esta diferencia ocurre porque el Sol no es una esfera maciza. El astro está formado por un gas muy caliente que contiene partículas cargadas eléctricamente (plasma) de hidrógeno y helio, los elementos químicos más sencillos y abundantes del Universo. Se sabe también que existe una diferencia de densidad de ese plasma según la profundidad en que se encuentre. Es más denso en las regiones más internas del Sol que en las externas: en el núcleo de la estrella, el plasma es 10 veces más denso que el plomo, mientras que en la atmósfera solar es 10 mil veces menos denso que el aire en la superficie de la Tierra.

A causa de ese gradiente de densidades, las dos terceras partes más internas del Sol se comportan como una esfera rígida y maciza, donde todos los puntos giran en conjunto en un mismo sentido. “El núcleo rueda completo y solidario, y sería difícil obtener una medida de su eventual desaceleración”, comenta el astrofísico Nelson Leister, docente de la Universidad de São Paulo (USP) especializado en física y astrometría solar.

La tercera parte más superficial, a su vez, funciona como un fluido: sus puntos se mueven en el mismo sentido que los de la zona más interna, pero a velocidades distintas. Mediciones realizadas en las últimas décadas ya indicaban que el tercio exterior del Sol se movía más lentamente que los dos tercios interiores. Ahora también se sabe que en la porción más superficial, la velocidad disminuye a medida que aumenta la distancia con respecto al núcleo del Sol.

Desde hacía algún tiempo, los astrónomos sospechaban que incluso en la atmósfera solar habría estratos moviéndose a velocidades distintas. Datos recabados durante la década de 1980 sobre el ritmo de desplazamiento de las manchas solares, regiones más oscuras y frías de la atmósfera del Sol, presentaban pequeñas variaciones, interpretadas por algunos científicos como producto de una posible diferencia en su velocidad de desplazamiento.

Al utilizar 27 millones de imágenes de altísima resolución del Sol, obtenidas por el satélite Solar Dynamics Observatory, de la agencia espacial estadounidense (la Nasa), Kuhn, Emilio y sus colaboradores midieron con una precisión nunca antes obtenida alteraciones sutiles en el movimiento de la fotósfera. Y confirmaron que esa diferencia de rotación existe y puede medirse incluso entre estratos de una franja de tan sólo 150 kilómetros de espesor de esa capa; esos 150 kilómetros corresponden al 0,02% (o una quincuagésima parte) del radio del Sol. Un punto en la cima de esa capa tarda un 2,7% más de tiempo para completar una vuelta alrededor del eje del Sol que otro localizado a la misma latitud, pero ubicado en la base. Es un efecto sutil, pero que se vuelve relevante en el transcurso del tempo.

Un viaje más lento
Un ejemplo ayuda a aclarar el tema. Si un punto cualquiera de una capa interna de la estrella tarda 30 días para concluir una vuelta alrededor del eje solar, un punto en la base de la fotósfera ubicado en la misma latitud –desde el siglo XVII se sabe, mediante el estudio de las manchas solares, que la velocidad de desplazamiento cambia a distintas latitudes, y disminuye en dirección a los polos– tarda 19 horas más para trazar el mismo trayecto. Para un punto situado en la cima de la fotósfera, sería necesario sumarle otras dos horas a ese viaje, que totalizaría 21 horas más.

Desde que el Sol surgió, hace 5 mil millones de años, los astrónomos estiman que ya habría completado 60 mil millones de vueltas alrededor de su propio eje. En todo ese tiempo, el frenado de la atmósfera habría sido ya suficiente como para alterar la velocidad de rotación de una capa del Sol de 35 mil kilómetros de profundidad, o el 5% del radio de la estrella. Estos datos, que figuran en el artículo de Physical Review Letters, coinciden con los de estudios anteriores. Al final de los años 1980, mediciones de la velocidad de propagación de las ondas sonoras en el interior del Sol, realizadas mediante el empleo de una técnica llamada heliosismología, indicaban que el 5% más exterior de la estrella tenía una velocidad de rotación más baja que el resto. Pero nadie sabía explicar el motivo de ello.

En el trabajo actual, Emilio, el equipo de Kuhn y el astrónomo Rock Bush, de la Universidad Stanford, creador de uno de los instrumentos del SDO, plantean que la desaceleración del Sol sería consecuencia del frenado de los fotones. Es como si cada fotón (cada partícula de luz) emitido por las capas más exteriores de la estrella cargase consigo una cantidad ínfima de la energía que mantiene a la atmósfera solar girando. Según Kuhn, este efecto está frenando muy lentamente a la estrella a partir de su superficie.

Para confirmar esta hipótesis, será necesario aguardar algún tiempo todavía. “Esta pérdida es muy pequeña”, dice Emilio, director del Observatorio Astronómico de la UEPG. Según el investigador, quien con sus colaboradores realizó en 2012 la medición más precisa realizada hasta ahora del radio solar (el mismo tiene 697 mil kilómetros y es 109 veces mayor que el de la Tierra), sería necesario observar el Sol durante millones de años para medir si la pérdida de fotones corresponde a la desaceleración que está ocurriendo. O al menos esperar que termine la construcción del mayor telescopio dedicado a la observación solar: el Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST), que se lleva adelante en una de las islas de Hawái. Está previsto que este equipamiento esté listo en 2020. El mismo contará con un espejo de 4 metros de diámetro al que deberá enfriárselo para que soporte la energía que recibirá proveniente del Sol. “Cuando esté funcionando”, dice Emilio, “ese telescopio observará una parte del Sol con suma resolución y quizá se logre entonces efectuar ese tipo de medición con bastante precisión”.

Artículo científico
CUNNYNGHAM, I. et al. A Poynting-Robertson-like drag at the Sun’s surface. Physical Review Letters. 3 feb. 2017.