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ASTROFÍSICA

La diferencia que iguala al Sol con sus hermanas

El comportamiento caótico del plasma ayuda a explicar las variaciones en el ciclo magnético de las estrellas análogas solares

Manchas registradas por Galileo Galilei entre los días 9 y 12 de junio de 1613

The Galileo Project

Un grupo internacional de astrofísicos que contó con la participación del brasileño José-Dias do Nascimento Júnior, docente de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), parece haber hallado la respuesta a una cuestión que intriga desde hace casi dos décadas a quienes estudian el Sol y las estrellas muy parecidas a este, las denominadas análogas solares. Excepto por sus edades, que pueden variar bastante, estos astros guardan un parecido muy grande con el Sol, a punto tal de ser cuasi idénticos. Su masa, su tamaño, su temperatura y son luminosidad son similares. Tantas semejanzas hacen que los científicos imaginen que los mismos podrían ayudar a reconstituir el pasado y a proyectar el futuro de la estrella que le aporta calor e ilumina a la Tierra y a los planetas vecinos. Hasta hace poco, la dificultad de entender las variaciones en la duración del ciclo de actividad magnética de esos astros hacía que el Sol pareciera una estrella sin igual. Pero un estudio publicado por Do Nascimento y sus colaboradores, en el mes de julio en la revista Science ayuda a develar este misterio e indica que nada en el Sol lo hace diferente a sus estrellas hermanas.

“La duración del ciclo magnético de las análogas solares varía mucho: en algunos casos es más largo y en otros más corto, pero ninguno coincide con el del Sol”, comenta el astrofísico brasileño, quien también es investigador visitante del Centro de Astrofísica de la Universidad Harvard, en Estados Unidos. Uno de los trabajos que ayudaron a fortalecer la reputación del Sol como estrella única en su categoría salió publicado en 2007 en la revista Astrophysical Journal y estuvo a cargo de la astrofísica alemana Erika Böhm-Vitense (1923-2017), por entonces docente de la Universidad de Washington, en Estados Unidos. Una figura del artículo dejaba clara esa diferencia. El gráfico que correlacionaba el tiempo que tardan las estrellas en completar una vuelta sobre sus ejes (el período de rotación) con la duración del ciclo magnético separaba en dos grupos a las casi 30 estrellas analizadas: las más jóvenes, con un ciclo magnético más corto, se ubicaban de un lado, y las más antiguas, de ciclo largo, del otro. En el medio, aislado, aparecía situado el Sol.

El trabajo publicado ahora en Science quita al Sol de ese puesto especial al explicar el origen de las variaciones en los ciclos magnéticos e indicar que es sumamente improbable –si no imposible– hallar dos de esos ciclos iguales, aun cuando todas las otras características de las estrellas sean casi idénticas. La razón de esta improbabilidad consiste en que algunos fenómenos implicados en la generación de los campos magnéticos estelares parecen seguir las reglas de la llamada teoría de los sistemas dinámicos, o teoría del caos. Como los fenómenos que esta teoría describe son sumamente sensibles a las condiciones iniciales, aun cuando las mismas son muy parecidas, los resultados pueden ser muy distintos. De este modo, solamente habría dos ciclos magnéticos coincidentes si las estrellas fuesen iguales en todo, algo extremadamente raro en la naturaleza.

“Este componente caótico explica por qué difícilmente logremos hallar dos estrellas con ciclo magnético de igual duración”, informa el investigador. El mismo también permite comprender por qué en el caso del Sol la duración de este ciclo puede variar. “Nuestros resultados indican que el Sol es una estrella común, como cualquier otra de su categoría.”

Las estrellas como el Sol son esferas de gas superacaliente y cargado eléctricamente (plasma), compuesto básicamente de hidrógeno y helio. Su campo magnético se genera en el tercio superficial de la estrella debido al movimiento del plasma, que es transportado desde las zonas más profundas y calientes de esa capa hacia las más superficiales y frías, al tiempo que gira arrastrado por la rotación de la estrella. Todo ese movimiento distorsiona las líneas del campo magnético y lo amplifica. De tiempo en tiempo, ese campo sufre una inversión de polaridad: el polo positivo se vuelve negativo y viceversa. En el caso del Sol, que da una vuelta alrededor de su eje en 28 días, la inversión de polaridad ocurre aproximadamente una vez cada 11 años. Son necesarios otros 11 años para que los polos regresen a la configuración magnética inicial y completen el ciclo, en un total de 22 años. Con todo, ya se han observado inversiones cada 9 y hasta cada 14 años. Esas inversiones de polaridad coinciden con el período de mínima actividad de la estrella, mientras que los períodos de máxima actividad son signados por el surgimiento de las manchas (regiones oscuras y más frías) en la superficie del Sol, registradas por primera vez en el siglo XVII por el matemático y astrónomo Galileo Galilei.

El físico y matemático irlandés Joseph Larmor propuso en 1919, en la denominada teoría del dínamo, que el origen del campo magnético continuo del Sol sería el movimiento de partículas eléctricas en su interior, algo válido también para otras estrellas. Sin embargo, proyectos que monitorearon la actividad estelar durante largos períodos indicaron que el comportamiento de los ciclos magnéticos sería más complejo. Los modelos de magneto-hidrodinámica, que son más sofisticados y contemplan a las estrellas rellenas con un fluido conductor de electricidad, lograban incluso reproducir las inversiones de campo magnético, pero no generaban de manera fiel el ciclo completo de muchas de ellas. Do Nascimento y los astrofísicos franceses Allan Sacha Brun, del Laboratorio de Astrofísica, Instrumentación y Modelado París-Saclay, y Antoine Strugarek, de la Universidad de Montreal, en Canadá, mejoraron la capacidad de pronóstico de esos modelos al añadirles  ecuaciones de la teoría del caos que describen el movimiento turbulento del plasma.

Simulaciones en 3D
Con el nuevo modelo, los científicos realizaron simulaciones tridimensionales del interior del Sol y de 30 análogas solares, y obtuvieron ciclos muy similares a los que midieron mediante observaciones astronómicas. También notaron que la duración del ciclo magnético depende de la velocidad de rotación de cada estrella: los astros que giran más rápido exhiben ciclos más cortos. “La tendencia que registramos es distinta a la que se obtiene con los modelos del pasado”, afirmó Strugarek, primer autor del artículo publicado en Science, en un comunicado de prensa.

“Ya se esperaba que la actividad magnética de la estrella recibiera el influjo de su velocidad de rotación”, comenta la astrofísica Elisabete Dal Pino, de la Universidad de São Paulo (USP), quien no participó en el estudio. “El resultado que obtuvieron”, añade la científica, “es relevante porque muestra que estrellas similares al Sol, pero con rotación distinta, pueden exhibir ciclos magnéticos de duración disímil”.

El conocimiento referente a la duración del ciclo magnético de las estrellas es importante para la detección de planetas y la orientación de la búsqueda de vida alrededor de estrellas como el Sol. “La actividad magnética de las estrellas genera una señal que puede confundirse con un planeta en su órbita”, comenta Do Nascimento. Según el investigador, se estima que algunos de los planetas extrasolares hallados mediante el empleo de una de estas técnicas pueden no existir y, en algunos casos, pueden constituir resultados falsos causados por manifestaciones magnéticas.

Artículo científico
STRUGAREK, A. et al. Reconciling solar and stellar magnetic cycles with nonlinear dynamo simulations. Science. 14 jul. 2017.