Los albores de la década del Sol
Según el astrofísico Héctor Socas-Navarro, los próximos diez años estarán entre los más fructíferos y apasionantes en la historia del estudio científico de nuestra estrella
Convergerán dos misiones espaciales y las observaciones de dos nuevos telescopios
Seguramente la década que comenzamos será recordada como una de las más fructíferas y apasionantes en la historia del estudio científico del Sol. Y eso es mucho decir, teniendo en cuenta que semejante afirmación abarca los tiempos de Galileo Galilei o que se remonta hacia la antigüedad hasta los registros chinos de manchas solares. Y es que en esta década vamos a ser testigos de la conjunción de cuatro grandes proyectos para observar el Sol como nunca se ha hecho antes. Se trata de las misiones espaciales Parker Solar Probe y Solar Orbiter , y de los grandes telescopios DKIST y EST. Dos proyectos estadounidenses y dos europeos que coincidirán en esta década.
¿Por qué tanto interés por el Sol?
¿Por qué tanto interés ahora por estudiar el Sol? Hay una respuesta directa y otras más sutiles. La directa es que nos hemos convertido en una sociedad tecnológica y cada vez dependemos más de dispositivos e infraestructuras que son vulnerables a la actividad violenta del Sol . El viento solar emana continuamente desde su superficie, trayendo un flujo de protones y partículas cargadas eléctricamente que golpean el escudo magnético protector de nuestro planeta. Este viento de plasma no sopla siempre igual. A veces es una brisa suave pero otras llega en fuertes chorros de partículas expulsados a borbotones por huecos en el campo magnético solar.
Además, una serie de fenómenos de actividad se manifiestan en forma de potentes erupciones en las que se libera la energía equivalente a millones de bombas atómicas . Estas erupciones pueden proyectar plasma solar al espacio interplanetario, las conocidas como «eyecciones de masa coronal», que viajan a miles de kilómetros por segundo y ocasionalmente impactan sobre nuestro planeta. El Sol pasa por períodos de mayor y menor actividad en un ciclo que dura aproximadamente once años. Ahora mismo nos encontramos saliendo del último mínimo y comenzando la subida del llamado «ciclo 25» . Por eso, a lo largo de los próximos años la actividad solar irá en aumento hasta llegar a su máximo probablemente entre 2024 y 2026.
El peligro de las tormentas solares
Estos fenómenos de actividad, que a menudo se denominan genéricamente como « tormentas solares », representan un grave riesgo para nuestra tecnología. Los satélites están fuera de la protección que nos ofrecen la magnetosfera y la atmósfera terrestre y podrían quedar inoperativos durante eventos extremos de meteorología espacial. Una tormenta solar de grandes proporciones puede dañar la infraestructura eléctrica produciendo grandes apagones , como hemos visto a lo largo de las últimas décadas.
La tormenta solar más potente registrada en tiempos históricos fue el conocido como « evento Carrington », cuando en 1859 la Tierra fue impactada por una sucesión de eyecciones de masa coronal . Desde entonces no hemos vuelto a sufrir una situación similar pero sí sabemos que han ocurrido antes. Por ejemplo, el registro isotópico apunta a que se produjo una considerablemente más potente que el evento Carrington en el año 774, seguramente la que dio origen a las crónicas del«crucifijo rojo» en los cielos de Inglaterra. También hay constancia de otra en el 993.
En 2012, la sonda de la NASA Stereo A fue impactada por una eyección de masa coronal que hubiera provocado algo parecido al evento Carrington de haber llegado a la Tierra. Por suerte, ese proyectil no venía dirigido en nuestra dirección. No tenemos ni idea de qué repercusión tendría un evento así en nuestro mundo actual. Los pocos e inciertos estudios que existen al respecto cifran los daños económicos en el orden de billones o incluso decenas de billones de euros. Si estas previsiones se cumplieran, nos veríamos abocados a una gran crisis económica global.
Una ciencia llamada magnetohidrodinámica
Pero el interés científico por la actividad solar va más allá del riesgo que pueda suponer. Desde mediados del siglo pasado estamos aprendiendo mucho de una ciencia fascinante llamada magnetohidrodinámica, que estudia la interacción de los plasmas con campos magnéticos . En el Sol podemos observar estas interacciones en condiciones únicas que no podemos reproducir en laboratorios, ni siquiera simular por ordenador.
Gracias a estas interacciones entre plasmas y campos magnéticos, en un futuro cercano seremos capaces de dominar la energía de fusión . Esta es la fuente de energía que hace brillar a las estrellas y que posiblemente nos marque el camino hacia un futuro de energía segura y sostenible.
La causa por la que Marte es frío y seco
Tampoco debemos perder de vista el interés en aprender sobre la actividad solar para entender cómo funciona en otras estrellas. Existe una relación fundamental entre la habitabilidad de un planeta y la actividad de su estrella.
Hace 3.500 millones de años, Marte era un mundo tan hospitalario como la Tierra. Sin embargo, en los últimos años hemos descubierto que, al carecer de un escudo magnético como el terrestre, perdió rápidamente casi toda su atmósfera , arrancada por la violencia de las tormentas del Sol joven. Eso hizo que rápidamente se convirtiera en un mundo seco, frío y, por lo que parece, totalmente desértico (aunque sin dejar por ello de ser fascinante). Esto es muy relevante porque somos la primera generación que está en condiciones realistas de encontrar vida extraterrestre. Y para lograr este hallazgo histórico, que ojalá se dé pronto, es importante tener en cuenta este tipo de procesos.
Cómo lograr caer hacia el Sol
El estudio del Sol se hace tanto con observaciones espaciales como desde tierra. Cada ámbito tiene sus ventajas y sus inconvenientes. Desde el espacio podemos acercarnos al Sol y tratar de medir las propiedades del viento solar y el campo magnético «in situ». Pero acercarse al Sol es mucho más difícil de lo que pueda parecer intuitivamente: en realidad es más fácil ir hacia fuera del sistema solar.
La razón es que la Tierra se mueve muy rápido (a unos 110.000 km/h) perpendicularmente a la dirección al Sol, gracias a lo que estamos en órbita y no caemos. Así que cuando un cohete despega de la Tierra, hereda esa velocidad de 110.000 km/h , por lo que es necesario deshacerse de ella para poder caer hacia el Sol. De lo contrario, nuestra sonda estará dando vueltas alrededor sin poder acercarse.
Aunque parezca sorprendente, no tenemos cohetes suficientemente potentes como para hacer eso. La única forma de ir al Sol es ayudarse de la gravedad de los planetas para hacer lo que se llaman «maniobras de asistencia gravitatoria» que puedan frenar la nave y permitirle caer hacia el Sol.
La Sonda Solar Parker, más cerca que nunca
La Sonda Solar Parker , llamada así en honor al físico solar Eugene Parker, fue lanzada en Agosto de 2018. Es la primera misión espacial de la NASA en llevar el nombre de una persona viva. El plan original de este proyecto era comenzar yendo hacia Júpiter para frenarse con la gravedad del planeta gigante y poder así caer hacia el Sol.
Este primer plan fue cancelado y reemplazado en 2010 por otro con menos presupuesto y algo más modesto. Con el nuevo plan no había posibilidad de ir a Júpiter y se cambió por una serie repetida de sobrevuelos a Venus para llegar a su órbita final en 2024. Además la sonda era más pequeña y no se acercaría tanto al Sol como en el proyecto original.
La órbita final es muy alargada. En el punto más próximo se acercará a tan solo nueve veces el radio del Sol, mientras que en el más lejano llegará a la órbita de Venus. En el punto más cercano alcanzará una velocidad de casi 700.000 km/h , siendo así el objeto más veloz jamás construido por el ser humano.
Un escudo que «vivirá» millones de años
Para protegerse de la brutal dosis de radiación que se va a encontrar, la sonda Parker lleva un escudo térmico que deberá mantener siempre apuntando hacia el Sol . El escudo soportará temperaturas de más de 1.300 grados centígrados pero a su sombra el resto de la sonda estará entre 10 y 125 grados. Es muy importante mantener en todo momento la orientación correcta, a medida que la nave se mueve en su órbita, para que el escudo esté siempre apuntando al Sol.
Cuando se le acabe el combustible, no podrá orientarse y la radiación solar destruirá la sonda en cuestión de minutos dejando únicamente un escudo térmico que quedará orbitando muerto alrededor del Sol durante millones de años.
La sonda Parker lleva instrumentos para medir las partículas del viento solar y el campo magnético por donde va pasando. Sin embargo no lleva telescopios ni instrumentos de hacer imagen (con la salvedad de una cámara heliosférica). Podemos imaginarla como un cangrejo ciego que va tocando el medio por el que pasa y obteniendo así la información.
La Solar Orbiter, o cómo mirar desde arriba
En este sentido es muy diferente a la sonda europea, Solar Orbiter , que lleva un pequeño telescopio e instrumentos para hacer imagen del Sol, con capacidad para mapear el campo magnético sobre la superficie solar. Esta sonda, también conocida como SolO, se lanzó el pasado 10 de Febrero y durante los próximos tres años irá haciendo encuentros gravitacionales con Venus y la Tierra para alcanzar su órbita final. No se acercará tanto al Sol como la sonda Parker pero a cambio tiene otras ventajas muy interesantes.
En primer lugar, la órbita es peculiar porque se va a salir del plano en el que giran los planetas . Solar Orbiter irá inclinando su órbita gradualmente para poder asomarse a los polos del Sol. Desde la Tierra apenas podemos observar los polos porque nuestro planeta orbita casi exactamente alrededor del ecuador solar. El escudo térmico de SolO no estará sometido a condiciones térmicas tan exigentes como en el caso de la Parker pero a cambio tiene que afrontar otros retos.
Al contrario que su colega estadounidense, que como dijimos antes es ciega, la sonda europea tiene que poder «ver» a través del escudo. Por eso tiene que haber aberturas, a modo de troneras, para permitir el paso de la luz hacia la instrumentación de a bordo.
Ya estamos empezando a recibir información de estas sondas. En particular la Parker ha producido resultados científicos de gran interés. Aunque todavía faltan cinco años para que se sitúe en su órbita final, ya ha tenido cuatro acercamientos al Sol en los que ha podido aportar información sobre «latigazos magnéticos» , el soplido de protones de los agujeros coronales o el polvo de la corona. Mientras tanto, en Tierra se preparan los telescopios de nueva generación.
Nuevos telescopios en tierra para el siglo XXI
Los telescopios solares más grandes que existen son el GREGOR del Observatorio del Teide (Tenerife) y el Goode Solar Telescope del Big Bear Observatory (California, EEUU), con 1,5 y 1,6 metros de diámetro respectivamente. Este tamaño es insuficiente para la ciencia del siglo XXI, que necesita imágenes de mayor definición (se pretende llegar a ver detalles de unos 10 km sobre la superficie del Sol) y una mayor capacidad de detectar, mapear y medir campos magnéticos.
Para eso se está trabajando en los nuevos telescopios DKIST ( Daniel K Inouye Solar Telescope , en EEUU) y el EST ( European Solar Telescope ), ambos de 4,2 metros de diámetro. Se trata de un gran salto cualitativo a todos los niveles y un reto de ingeniería que exige creatividad e innovación tecnológica.
Astronomía solar multi-mensajera
El DKIST ya ha visto su primera luz, asomándose por encima de las nubes en la cima de Haleakala (nombre que, muy apropiadamente, significa «la casa del Sol» para los aborígenes hawaianos) en la isla de Maui. Uno de sus cinco instrumentos de primera generación ya está instalado y funcionando. La integración de otros instrumentos y el sofisticado sistema de óptica adaptativa se encuentra ahora mismo detenida, interrumpida temporalmente por la maldita pandemia que ha conseguido paralizar el mundo entero.
The NSF's Inouye Solar Telescope provides unprecedented close-ups of the sun’s surface, but ultimately it will measure the sun’s corona – no total solar eclipse required. 😎
— National Science Foundation (@NSF) January 29, 2020
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Valentín Martínez Pillet , el investigador español que dirige el proyecto (y gran parte de la física solar estadounidense), considera que « estamos a las puertas de una década de física solar multi-mensajera ; la combinación de observaciones de DKIST con las sondas espaciales nos permitirá entender relaciones causa-efecto entre los procesos que ocurren en la atmósfera solar y sus consecuencias en el sistema solar».
Mientras tanto Europa trabaja en su propio proyecto de gran telescopio solar. El EST, incluído en la lista ESFRI de infraestructuras científicas prioritarias para la Unión Europea, tiene por objetivo centrarse en la conectividad entre las diferentes capas de la atmósfera. El diseño estará optimizado para minimizar las distorsiones espúreas que introduce el telescopio sobre la medida de los campos magnéticos. Es destacable que es un proyecto científico de gran envergadura liderado por España , en el que los científicos e ingenieros de nuestro país han jugado un papel protagonista desde el principio.
Una visón global del Sol
Manuel Collados , director del EST, considera que «en esta década, los estudios conjuntos de grandes telescopios con sondas espaciales permitirán obtener una visión más global del Sol, entendiendo el acoplamiento entre diferentes capas, la aceleración del viento solar o los procesos de reconexión magnética que generan las erupciones».
El consorcio europeo del EST espera que la construcción dé comienzo a finales de 2022 o principios del 23. El lugar elegido está en la isla de La Palma, en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias.
DKIST y EST representan conceptos de diseño muy diferentes, desde el propio telescopio hasta la instrumentación. El diseño «fuera de eje» de DKIST y una instrumentación específica le permitirá hacer observaciones pioneras de la corona solar , imposibles de llevar a cabo con ningún otro instrumento.
Por su parte, el diseño simétrico del EST le supondrá poder alcanzar de forma rutinaria la máxima precisión en la medida de campos magnéticos con el mínimo esfuerzo de calibración. Además se prevé desarrollar de un nuevo sistema de óptica adaptativa llamada «multiconjugada», con el que se podrá corregir mejor el emborronamiento que provoca la atmósfera terrestre sobre los datos.
Se da además la feliz coincidencia de que los dos mayores telescopios solares del mundo estarán ubicados geográficamente en longitudes prácticamente opuestas, de manera que cuando se pone el Sol en La Palma estará amaneciendo en Haleakala y viceversa. Se podría así observar de forma casi continua en trabajos coordinados entre ambos observatorios.
También mejores modelos
En paralelo con estos avances tecnológicos e instrumentales, no podemos dejar de mencionar el progreso que se ha venido haciendo en los últimos años en el modelado teórico de la atmósfera solar . Hoy en día, gracias a estos avances y a la disponibilidad de grandes superordenadores, estamos en disposición de hacer simulaciones muy realistas de los procesos que ocurren en la superficie visible del Sol y, algo más simplificadas, de las capas más altas.
El objetivo es poder llegar a contrastar lo que obtenemos en estas grandes simulaciones por ordenador y las observaciones que nos darán los nuevos telescopios y sondas. En la medida en que simulaciones y observaciones vayan convergiendo, podremos decir que vamos acercándonos a entender mejor el Sol , que, al final, no lo olvidemos, es la estrella de nuestra vida. Literalmente.
Héctor Socas-Navarro es investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y director del Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife.
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