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ASTRONOMÍA

En la génesis de las explosiones solares

Un equipo internacional mapea la energía liberada en las regiones inestables del Sol

Explosión registrada por el satélite Solar Dynamics Observatory, de la Nasa: una oportunidad para investigar la generación de energía en el plasma atrapado en regiones aledañas a las manchas solares

NASA/SDO Explosión registrada por el satélite Solar Dynamics Observatory, de la Nasa: una oportunidad para investigar la generación de energía en el plasma atrapado en regiones aledañas a las manchas solaresNASA/SDO

El físico brasileño Pierre Kaufmann anda inquieto por un experimento que comenzará en las próximas semanas. La agencia espacial estadounidense (NASA) proyecta para el 1º de diciembre, desde la base que posee Estados Unidos en la Antártida, el lanzamiento de un globo que ascenderá a 40 kilómetros por encima del nivel del mar transportando dos dispositivos destinados al estudio del Sol. Uno de esos aparatos es el Solar-T, un telescopio fotométrico doble, que fue proyectado y construido por el equipo de Kaufmann para analizar una banda especial de la radiación solar (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 219). Si todo acontece como fue planificado, el Solar-T, que formará parte de un experimento de la Universidad de California en Berkeley, pasará entre dos y cuatro semanas registrando ininterrumpidamente la luz emitida por el Sol, que en esa época del año nunca se oculta en el Polo Sur.

El motivo de la inquietud del físico es que la NASA se propone lanzar el Solar-T desconectado y sólo activarlo cuando el globo alcance su altitud máxima. “Esa estrategia eleva el riesgo de falla, inherente a cualquier misión en un globo estratosférico”, dice Kaufmann, quien asistió a las pruebas del telescopio en Estados Unidos, en condiciones similares a las que estará expuesto en los cielos de la Antártida. “En todos los casos, el aparato se portó muy bien, pero los análisis se efectuaron con el mismo conectado”, relata el físico, quien se desempeña como coordinador del Centro de Astronomía y Astrofísica (Craam) de la Universidad Presbiteriana Mackenzie. “El problema que supone lanzarlo inactivo”, explica, “radica en que si algo no funciona luego del ascenso, ya no puede remediarse”.

Mientras sobrevuele el continente helado, el Solar-T captará la energía que emana de las explosiones solares en dos frecuencias específicas: 3 y 7 terahercios (THz), que corresponden a una fracción de la radiación infrarroja lejana. Esa banda de radiación, que se ubica en el espectro electromagnético entre la luz visible y las ondas de radio, permite una mejor observación del surgimiento de explosiones asociadas con los campos magnéticos de las regiones activas del Sol, que en muchas ocasiones emiten hacia la Tierra chorros de partículas con carga negativa (electrones) acelerados a grandes velocidades. En las adyacencias del planeta, esas partículas afectan el funcionamiento de satélites de telecomunicaciones y de GPS, produciendo también las auroras australes y boreales.

La radiación en esa banda del infrarrojo también posibilita el estudio de fenómenos que transfieren energía desde la superficie del Sol, la fotósfera, donde la temperatura no supera los 5.700 grados, hacia las capas superiores y más calientes: la cromósfera, donde las temperaturas llegan a 20 mil grados, y la corona, que se encuentra a más de 1 millón de grados.

Pese a brindar tales posibilidades para la observación del Sol, la radiación en terahercios, a la cual se denominó rayos T, siempre fue escasamente utilizada. El motivo era que había ‒y aún existen‒ algunos desafíos para detectarla. El primero radica en que la atmósfera terrestre impide que la mayor parte de esa radiación llegue a los telescopios en el suelo. Además, no cualquier telescopio puede detectar la radiación en terahercios. “Para detectar o generar una imagen del Sol en esas frecuencias debe emplearse un telescopio construido solamente con espejos, porque las lentes de vidrio o de otros materiales ópticos comunes absorben esa frecuencia de radiación”, explica Matthew Penn, astrónomo asociado del Observatorio Solar Nacional (NSO) y del McMath-Pierce Solar Facility, ambos en el estado de Arizona, en Estados Unidos.

Otro problema es que los detectores no pueden elaborarse con silicio, que resulta transparente para esas frecuencias de energía, y deben refrigerarse a temperaturas muy bajas. “Antes de que Pierre Kaufmann comenzara a trabajar en esa área, se había observado poco del Sol en tales frecuencias, porque el desarrollo de la tecnología resultaba difícil”, comenta el astrónomo Stephen White, del Laboratorio de Investigaciones de la Fuerza aérea, en Nuevo México, también en Estados Unidos.

El físico brasileño espera que los datos que aporte el Solar-T sirvan para nutrir un gráfico en el cual colabora para su construcción desde hace unos 30 años. Dicha curva representa el perfil de la energía emitida en el origen de las explosiones del Sol, que se observan generalmente en la región de las manchas que, cada tanto, oscurecen la superficie de la estrella. Se trata de una especie de firma energética de esas explosiones, que, en opinión de físicos, astrónomos y astrofísicos, puede ayudar a dilucidar aquellos fenómenos que la originan.

Rumbo a la estratósfera: el telescopio Solar-T, que pronto será lanzado en la Antártida, a bordo de un globo aerostático, para observar las explosiones solares en rangos entre 3 y 7 THz

Léo RamosRumbo a la estratósfera: el telescopio Solar-T, que pronto será lanzado en la Antártida, a bordo de un globo aerostático, para observar las explosiones solares en rangos entre 3 y 7 THzLéo Ramos

El gráfico de la cantidad de radiación emitida al espacio en cada frecuencia comenzó a delinearse durante los años 1960, a partir de observaciones de las explosiones solares. Durante mucho tiempo, aquél tan sólo registraba la radiación emitida en la frecuencia de las ondas de radio ‒entre 30 megahercios (MHz) y 30 gigahercios (GHz)‒, las menos energéticas del espectro electromagnético en el rango de radio. En 1972, John Castelli y Jules Aarons, del Laboratorio de Investigación Cambridge de la Fuerza Aérea (AFCRL) de Estados Unidos, trazaron un perfil energético de las explosiones solares recopilando datos de 80 eventos. Ese gráfico tenía una forma similar a la de la letra U e indicaba que la mayor parte de la energía liberada en esas explosiones se ubicaba en dos segmentos de las ondas de radio de baja frecuencia y energía: buena parte se situaba en frecuencias inferiores a 1 GHz, mientras que otro tanto se hallaba en un rango ubicado entre 3 GHz y 30 GHz.

Algo antes, en 1968, los investigadores C. D. Clark y W. M. Park habían obtenido indicios de que podía producirse una radiación con frecuencia mayor y más energética durante las erupciones solares. Mediante el uso del telescopio del Queen Mary College, de la Universidad de Londres, detectaron pulsos de energía a 250 GHz, una frecuencia alrededor de 30 veces mayor que las correspondientes a las microondas e inesperadamente muy intensas. Esos datos del rango de las microondas, acaso porque fueron dispersos, no llamaron demasiado la atención. “A pesar de que hubo varias sugerencias, los investigadores de esa área ignoraron durante mucho tiempo esas indicaciones”, comenta Kaufmann.

La sospecha de que las explosiones solares podían liberar mucha más energía recién resurgieron dos décadas después, como consecuencia, en parte, del trabajo de Kaufmann. Éste observó por medio del radiotelescopio de Itapetinga, que está instalado en Atibaia, en el interior del estado de São Paulo, una explosión solar que se produjo el 21 de mayo de 1984. Los registros indicaron que la mayor parte de la energía era emitida en ondas milimétricas, en una frecuencia de 90 GHz, en forma de pulsos de centésimas de segundo de duración. Era una nueva señal de que había más por descubrir al respecto de las explosiones. “En aquella época, percibimos que existía un componente de las explosiones que alcanza frecuencias más altas”, comenta el físico.

En un trabajo conjunto con investigadores de la Universidad de Campinas (Unicamp), desarrolló dispositivos que se instalaron en diferentes observatorios para registrar la energía en frecuencias mayores. Al comienzo de la década pasada, Kaufmann y su equipo monitorearon explosiones solares con el Telescopio Solar de Ondas Submilimétricas (SST), instalado en el Complejo Astronómico El Leoncito, en los Andes argentinos, y registraron un flujo de radiación que volvía a crecer en 0,2 y en 0,4 THz. Tales resultados impulsaron a Kaufmann y al investigador Rogério Marcon, del Instituto de Física de la Unicamp, a desarrollar aparatos capaces de detectar frecuencias aún más altas, en la banda de los 30 THz.

Mediante un telescopio de 30 THz instalado en El Leoncito y otro en el techo de uno de los edificios del Mackenzie, en el centro de São Paulo, el grupo del físico brasileño, que incluye a científicos de Argentina y Estados Unidos, ha registrado tres explosiones solares ‒una, el 13 de marzo de 2012,  otra, el 1º de agosto de 2014 y una tercera, el 27 de octubre de 2014‒ que liberaron gran cantidad de energía en esa banda del espectro electromagnético. Un análisis que abarca diferentes regiones del espectro reveló que, en realidad, esos eventos producen entre 10 y 100 veces más energía en el infrarrojo lejano (terahercios) que en las microondas (gigahercios), de acuerdo con un artículo que se publicó en el mes de junio de este año en el Journal of Geophysical Research – Space Physics.

Brillo fugaz: las frecuentes explosiones en las proximidades de las manchas solares (regiones activas del Sol), liberan energía en diferentes bandas del espectro electromagnético

Nasa/SDO/Wiessinger Brillo fugaz: las frecuentes explosiones en las proximidades de las manchas solares (regiones activas del Sol), liberan energía en diferentes bandas del espectro electromagnéticoNasa/SDO/Wiessinger

Más allá de los datos que obtuvo el grupo de Kaufmann, Matthew Penn y su equipo registraron emisiones en 30 y 60 THz. Al completar el perfil energético de las explosiones con los nuevos datos, el gráfico toma la forma de la letra W, dejando de ser una U, tal como habían señalado Castelli y Aarons en los años 1970. Esa firma sugiere que las explosiones coinciden con flujos energéticos intensos en dos rangos de radiación: uno en las ondas de radio, menos energética, y otra en el submilimétrico y en el infrarrojo, más energética y cuyo límite aún es desconocido.

Una posible fuente de esa energía serían los electrones acelerados a velocidades cercanas a la de la luz en regiones densas de la superficie solar que, cuando se frenan bajo el influjo de campos magnéticos intensos, emitirían radiación en la banda del infrarrojo. Otra posibilidad es que esas partículas aceleradas recalentarían el plasma de la cromósfera que, en consecuencia, respondería liberando radiación. “Por ahora, nadie ha podido explicar ese espectro doble”, dice Kaufmann, quien, además del financiamiento aportado por la FAPESP, también cuenta con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología, del Fondo Mackenzie de Investigación y de la Oficina de Ciencia de la Fuerza Aérea estadounidense.

“Aún no contamos con ejemplos suficientes de los eventos observados en terahercios que puedan explicar cómo puede producirse esa emisión en una gama tan amplia”, dice Stephen White, del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea estadounidense y colaborador de Kaufmann. “Creemos que eso podría revelar el modo en que el Sol acelera partículas a altas energías”.

Mientras no se hallen respuestas, Kaufmann se propone completar la curva con mayor información en más frecuencias, con la esperanza de que los datos ayuden a dilucidar los fenómenos generadores de las explosiones. Recientemente, él y Marcon construyeron un nuevo telescopio, el Hats (High Altitude Terahertz Solar Telescope), que operará en un rango de 0,85 a 1,4 THz en un observatorio ubicado a más de cinco mil metros de altura en Famatina, en los Andes argentinos. También está lista una versión más moderna de los detectores que elevarán la capacidad de observación de los telescopios en El Leoncito. Previo a ello, Kaufmann aguarda con ansiedad el lanzamiento del Solar-T. “Estamos en manos de la NASA”, dice. “Pero el Sol también debería colaborar produciendo explosiones durante ese lapso”.

Proyecto
Diagnóstico de explosiones solares en un intervalo inédito del espectro, desde microondas hasta frecuencias en THz: los desafíos para su interpretación (FLAT) (nº 2013/24155-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Pierre Kaufmann (UPM); Inversión R$ 1.836.374,29

Artículo científico
KAUFMANN, P. et al. Bright 30 THz impulsive solar bursts. Journal of Geophysical Research – Space Physics. 30 jun. 2015.

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