Por su proximidad e importancia para la subsistencia de la vida en la Tierra, el Sol es la estrella más estudiada por los astrofísicos. Este estatus como objeto de estudio prioritario no significa que haya poco por descubrir sobre el astro. Al contrario, algunos tipos de investigación, como los estudios a largo plazo, solo pueden realizarse porque nuestro planeta permanece siempre cerca del Sol. Por lo tanto, se los puede observar en forma continua y percibir detalles que no pueden apreciarse en estrellas más lejanas.
Fue precisamente esta particularidad la que hizo posible un hallazgo reciente. Un artículo publicado por el brasileño Bruno Arsioli y la italiana Elena Orlando en febrero de este año en la revista Astrophysical Journal informa que el Sol emitió un exceso inesperado de rayos gamma de alta energía en sus polos. La mayor concentración de radiación se produjo durante su último período de gran actividad, el llamado máximo solar, en junio de 2014. Al igual que la Tierra, el Sol gira alrededor de un eje cuyos extremos definen los polos. La rotación genera un campo magnético, de manera que los polos magnéticos coinciden con las puntas del eje de rotación.
– Una fusión de estrellas de neutrones genera la segunda mayor explosión de rayos gamma
Según los autores del estudio, lo que se esperaba era que, cuando hubiese variaciones en el nivel de emisiones de rayos gamma, estas fluctuaciones se manifestaran con la misma intensidad en todas las regiones del Sol, de forma más o menos homogénea, en lugar de concentrarse exageradamente en las zonas de alta latitud.
“Esta mayor concentración de emisiones de rayos gamma se observó en el momento en que se produjo la inversión de los polos magnéticos del Sol”, explica Arsioli, autor principal del estudio. “Por esta razón, sospechamos que la reconfiguración magnética está relacionada con la producción excesiva de radiación gamma en los polos”. El intercambio provoca que el polo sur magnético migre hacia el norte del disco solar y viceversa. Esta inversión tiene lugar cada once años, en promedio, durante el máximo solar. Actualmente, Arsioli trabaja como investigador en el Instituto de Astrofísica y Ciencias Espaciales de la Universidad de Lisboa (Portugal), con financiación del programa europeo Marie Curie.
Según Elena Orlando, de la Universidad de Trieste, por ahora no existe una explicación precisa de cómo la inversión del polo magnético conduciría al exceso de emisiones de rayos gamma en los extremos del disco solar. “Creemos que, de alguna forma, el campo magnético de la estrella está involucrado en esta anomalía, pero aún no tenemos una explicación física para ello”, comenta Orlando, en una entrevista concedida a Pesquisa FAPESP. Arsioli inició el estudio con datos del telescopio espacial Fermi en 2021, cuando pasó un año trabajando como investigador asociado al grupo de la italiana en la Universidad de Trieste.
Los resultados, inéditos, se obtuvieron a partir del análisis de los datos recabados por el Fermi en 13 años y medio de observación del Sol, entre agosto de 2008 y enero de 2022. El instrumento, operado por la Nasa (la agencia espacial estadounidense) en forma conjunta con el Departamento de Energía de Estados Unidos y colaboradores asociados europeos, se dedica a registrar las emisiones en las frecuencias de la radiación gamma, la parte más energética del espectro electromagnético. También se lo ha utilizado recientemente para estudiar una misteriosa explosión de rayos gamma, la segunda más intensa que se haya observado en el espacio, probablemente ocasionada por la rara fusión de dos estrellas de neutrones.
El análisis de las emisiones del Sol se llevó a cabo por etapas. En primer lugar, Arsioli y Orlando dividieron los datos de casi 14 años de observaciones, que abarcaron un ciclo solar completo, en intervalos menores, de 400 a 700 días. A continuación, mediante el empleo de herramientas de análisis de datos desarrolladas por ellos, compararon las emisiones de rayos gamma con energía superior a 5 gigaelectronvoltios (GeV) de cada subperíodo en todas las regiones del disco solar. De este modo, pudieron verificar una concentración de la producción de emisiones de altas energías en las zonas polares durante el máximo solar. Esta constatación está respaldada por pruebas estadísticas, descritas en el trabajo, que indican la relevancia de las señales observadas.
NASA / SDO / AIA / LMSALLa ilustración sobre una imagen real muestra las líneas del complejo campo magnético en la superficie del SolNASA / SDO / AIA / LMSAL
El Sol, considerado un astro ordinario entre los más de 100.000 millones de estrellas de la Vía Láctea, se formó hace unos 4.500 millones de años. A diferencia de la Tierra y la Luna, no es un cuerpo sólido. Es una bola gaseosa de plasma caliente (materia ionizada, con partículas cargadas eléctricamente), constituida por hidrógeno y helio. El nivel de actividad solar (producción de energía) varía a lo largo del tiempo en forma más o menos regular, en ciclos. A veces la estrella es menos activa y otras veces, más. La duración promedio de un ciclo solar es de 11 años, pero puede variar entre 9 y 14 años.
La formación de las manchas solares ‒puntos negros asociados a áreas más frías en su superficie‒ constituye un termómetro de la actividad solar. Ocasionalmente, las manchas más grandes son visibles desde la Tierra sin necesidad de recurrir a telescopios. Una mayor cantidad de manchas es señal de que el astro está trabajando a un ritmo acelerado. La dinámica energética del Sol también está asociada a otros fenómenos, como la aparición de flares (erupciones) y eyecciones de masa.
Entre los momentos de mayor y menor actividad, la diferencia de brillo ‒es decir, de producción de energía‒ del Sol es muy pequeña, como mucho del 0,1 %. Por ello, los climatólogos descartan que las fluctuaciones de la actividad solar puedan influir de manera significativa para el aumento del calentamiento global.
Según cálculos de la Nasa, el impacto acumulado a lo largo de los últimos dos siglos de emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de las actividades humanas sobre la temperatura de la Tierra es, al menos, 270 veces mayor que la posible influencia de cualquier alteración en la luminosidad del Sol. De cualquier modo, las alteraciones en su régimen de funcionamiento producen impactos evidentes en la apariencia y en el comportamiento de la estrella.
Perturbaciones en el GPS
Más allá generar conocimientos básicos sobre física estelar, los estudios de la actividad solar son útiles para entender el impacto real del astro sobre distintos aspectos de la vida cotidiana en la Tierra. Al emitir más radiación y materia hacia el sistema solar, la estrella puede afectar a los sistemas de navegación terrestres, como el GPS, y a las telecomunicaciones en el planeta.
Para el astrofísico Rodrigo Nemmen, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), quien no participó en el trabajo, los datos del artículo de Arsioli y Orlando son importantes para mejorar nuestra comprensión del funcionamiento de la superficie solar. “La fuente principal de rayos gamma que observa el Fermi es el Sol”, dice Nemmen, quien utiliza los datos del satélite de la Nasa para estudiar las emisiones de este tipo de radiación en los chorros de materia que emiten los agujeros negros. “Algunos grupos de investigación han intentado utilizar el Fermi para estudiar de manera sistemática las emisiones de otras estrellas, pero no lo han conseguido”.
Uno de los retos de Arsioli y Orlando es tratar de observar nuevamente el pico de emisiones de rayos gamma en las regiones polares del Sol durante el próximo máximo solar, que sobrevendrá en 2025. Si la estrella se comporta nuevamente como en junio de 2014, la hipótesis de que la producción excesiva de rayos gamma es el resultado de la inversión periódica de los polos magnéticos cobra mayor fuerza. “No hay ninguna estrella similar ni tan cercana como el Sol en la que podamos probar nuestra hipótesis”, dice Arsioli. “Tenemos que repetir las observaciones en este mismo”.
Artículo científico
ARSIOLI, B. y ORLANDO, E. Yet another sunshine mystery: Unexpected asymmetry in GeV emission from the solar disk. The Astrophysical Journal. 7 feb. 2024.
