Al igual que una avalancha que comienza con un pequeño desplazamiento antes de descender, las nuevas observaciones muestran que las erupciones solares comienzan con sutiles perturbaciones magnéticas que se intensifican rápidamente. Los científicos que utilizan la nave espacial Solar Orbiter dirigida por la Agencia Espacial Europea (ESA) han descubierto que estos cambios iniciales pueden convertirse rápidamente en erupciones violentas, creando una espectacular cascada de burbujas de plasma luminoso que caen a través de la atmósfera del Sol mucho después de que la erupción principal haya alcanzado su punto máximo.
Esta información proviene de una de las vistas más detalladas jamás capturadas de una gran erupción solar. El evento se registró durante el paso más cercano del Solar Orbiter al Sol el 30 de septiembre de 2024 y se describe en un estudio publicado hoy (21 de enero). Astronomía y Astrofísica.
¿Qué desencadena una llamarada solar?
Las llamaradas solares se encuentran entre las explosiones más poderosas del sistema solar. Ocurren cuando una gran cantidad de energía almacenada en un campo magnético retorcido se libera repentinamente mediante un proceso conocido como reconexión magnética. Durante la reconexión, las líneas del campo magnético que apuntan en direcciones opuestas se rompen y se vuelven a conectar en una nueva configuración. Esta rápida reorganización puede calentar el plasma a millones de grados y expulsar partículas energéticas fuera del sitio, creando una llamarada solar.
Las llamaradas más poderosas pueden desencadenar una reacción en cadena que llega a la Tierra, iniciando tormentas geomagnéticas y, en ocasiones, interrumpiendo las comunicaciones por radio. Debido a estos efectos potenciales, los científicos están interesados en comprender exactamente cómo comienza y se desarrolla el aprendizaje.
Durante años, no estuvo claro el mecanismo preciso detrás de la capacidad del Sol para liberar tanta energía en minutos. Ahora, una rara combinación de observaciones de cuatro instrumentos orbitadores solares trabajando juntos ha proporcionado la imagen más completa hasta ahora de cómo se desarrolla una llamarada desde sus primeros momentos.
Un raro avistamiento del nacimiento de una llamarada solar
El Extreme Ultraviolet Imager (EUI) del Solar Orbiter capturó imágenes notablemente detalladas de la atmósfera exterior del Sol, conocida como corona, resolviendo características a lo largo de sólo unos pocos cientos de kilómetros y registrando cambios cada dos segundos. Al mismo tiempo, tres instrumentos adicionales, SPICE, STIX y PHI, estudiaron diferentes capas del Sol, desde la corona caliente hasta la superficie visible o fotosfera.
En conjunto, estas observaciones permitieron a los científicos rastrear la acumulación de la llamarada durante unos 40 minutos, una oportunidad que rara vez ocurre debido a la ventana de observación limitada y las limitaciones de los datos a bordo.
“Tuvimos mucha suerte de poder ver los precursores de esta gran llamarada con tan bello detalle”, dijo Pradeep Chitta del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar en Göttingen, Alemania, y autor principal del artículo. Estas observaciones detalladas de alta cadencia de una llamarada no siempre son posibles debido a la ventana de observación limitada y al hecho de que dichos datos ocupan mucho espacio de memoria en la computadora a bordo de la nave espacial. Realmente estábamos en el lugar correcto en el momento correcto para capturar los finos detalles de esta llamarada”.
Avalanchas magnéticas en acción
Cuando EUI comenzó a observar la región a las 23:06 hora universal (UT), unos 40 minutos antes de que la llamarada alcanzara su punto máximo, reveló un filamento oscuro y arqueado hecho de campos magnéticos retorcidos y plasma. Esta estructura estaba asociada con un patrón en forma de cruz de líneas de campo magnético que gradualmente se iluminaban. (Vea el enlace del video al final del artículo).
La vista de cerca muestra que aparecieron nuevas hebras magnéticas en casi todos los fotogramas de la imagen, aproximadamente cada dos segundos o menos. Cada hilo estaba limitado por la fuerza magnética y se retorcía lentamente, como una cuerda fuertemente enrollada.
A medida que se forman y retuercen más hebras, la región se desestabiliza. Al ganar impulso como una avalancha, las estructuras magnéticas comienzan a romperse y reconectarse en rápida sucesión. Esto desencadenó una creciente cadena de perturbaciones, cada una más fuerte que la anterior, visibles como repentinos estallidos de brillo.
A las 23:29 UT, se produjo un brillo particularmente intenso. Pronto, el filamento oscuro se rompió y salió disparado, desenrollándose violentamente a medida que se movía. Cuando la llamarada principal explotó a las 23:47 UT, se observaron brillantes destellos de reconexión a lo largo de toda su longitud con notable detalle.
“Estos minutos antes de la llamarada son cruciales y el Solar Orbiter nos ha dado una ventana a la base de la llamarada donde comenzó el proceso de avalancha”, dijo Pradeep. “Nos preguntamos cómo la gran llama es impulsada por una serie de pequeños eventos de reconexión que se propagan rápidamente a través del espacio y el tiempo”.
Las erupciones solares como reacción en cadena en cascada
Los científicos han sugerido durante mucho tiempo que las avalanchas podrían explicar el comportamiento colectivo de las innumerables y diminutas llamaradas del Sol y de otras estrellas. Hasta ahora, no estaba claro si el mismo concepto se aplicaba a las llamaradas grandes y únicas.
Estos nuevos resultados muestran que una llamarada importante no tiene por qué ser una explosión unificada. En cambio, puede surgir de muchos eventos de recombinación más pequeños que interactúan entre sí y forman una poderosa cascada.
Lloviendo gotas de plasma
Utilizando mediciones combinadas de los instrumentos SPICE y STIX, el equipo de investigación pudo estudiar cómo esta rápida secuencia de eventos de reconexión depositó energía en las capas superiores de la atmósfera del Sol con un detalle sin precedentes.
Los rayos X de alta energía han desempeñado un papel clave en este análisis, ya que revelan dónde liberan su energía las partículas aceleradas. Debido a que tales partículas pueden escapar al espacio y representar un riesgo para los satélites, los astronautas e incluso la tecnología de la Tierra, comprender su comportamiento es esencial para predecir el clima espacial.
Durante la llamarada del 30 de septiembre, la emisión ultravioleta y de rayos X ya estaba aumentando lentamente cuando SPICE y STIX comenzaron sus observaciones. A medida que la llamarada se intensificó, la emisión de rayos X aumentó dramáticamente, acelerando las partículas entre un 40 y un 50 por ciento de la velocidad de la luz, o aproximadamente entre 431 y 540 millones de kilómetros por hora. Los datos muestran la transferencia de energía del campo magnético directamente al plasma circundante durante la reconexión.
“Vimos características en forma de cintas que se movían muy rápidamente hacia abajo a través de la atmósfera del Sol, incluso antes de la fase principal de combustión”, dijo Pradeep. “Estas corrientes de ‘lluvia de gotas de plasma’ son señales de deposición de energía, que se vuelven más fuertes a medida que crece la llamarada. Incluso después de que la llamarada disminuye, la lluvia continúa durante algún tiempo. Esta es la primera vez que vemos esto con este nivel de detalle espacial y temporal en la corona solar.
Enfriar después de la explosión
Después de la fase más intensa de la llamarada, las imágenes EUI muestran la relajación de la estructura magnética original en forma de cruz. Al mismo tiempo, STIX y SPICE registraron una reducción en el plasma de enfriamiento y las emisiones de partículas hacia niveles normales. PHI observó el efecto de la expansión en la superficie visible del Sol, completando una visión tridimensional de todo el fenómeno.
“No esperábamos que el proceso de avalancha pudiera conducir a partículas de tan alta energía”, dijo Pradeep. “Todavía tenemos mucho que explorar en este proceso, pero las misiones futuras requerirán imágenes de rayos X de resolución mucho mayor para aislarlo verdaderamente”.
Una nueva comprensión de las erupciones solares
“Este es uno de los resultados más interesantes obtenidos hasta la fecha por un orbitador solar”, afirmó Miho Janvier, científico co-proyecto del Solar Orbiter de la ESA. “Las observaciones del orbitador solar revelan el motor central de una llamarada y enfatizan el importante papel que desempeña un proceso de liberación de energía magnética similar a una avalancha. Una posibilidad interesante es si este proceso ocurre en todas las estrellas Lear y otras estrellas en llamas”.
“Estas interesantes observaciones, capturadas con increíble detalle y casi instantáneamente, nos permiten ver cómo una secuencia de pequeños eventos desemboca en una enorme explosión de energía”, dijo David Pontin de la Universidad de Newcastle, Australia, coautor del artículo.
Y añadió: “Al comparar las observaciones de EUI con las observaciones del campo magnético, pudimos analizar la cadena de eventos que condujeron a la llamarada. Lo que observamos desafía las teorías existentes sobre la liberación de energía de la llamarada y, con más observaciones, nos permitirá refinar esas teorías para mejorar nuestra comprensión”.
Acerca de la misión del Orbitador Solar
El Solar Orbiter es una misión conjunta entre la ESA y la NASA y está operado por la ESA. El Extreme Ultraviolet Imager (EUI) está dirigido por el Real Observatorio de Bélgica (ROB). El generador de imágenes polarimétricas y heliosísmicas (PHI) está dirigido por el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS), Alemania. Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) es un instrumento liderado por Europa operado por el Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) en París, Francia. Espectrómetro y telescopio de rayos X STIX dirigido por FHNW, Windisch, Suiza.
