Simulando erupciones solares en una escala del tamaño de una banana, los investigadores de Caltech han analizado el proceso por el cual estas explosiones masivas lanzan partículas energéticas potencialmente dañinas y rayos X al cosmos.

Bucles coronales fotografiados por la nave espacial Transition Region And Coronal Explorer. Crédito: NASA.

Los bucles de corona son arcos de plasma que sobresalen de la superficie del Sol, alineados a lo largo de las líneas del campo magnético. Las líneas de campo magnético actúan como autopistas para partículas cargadas, guiando el movimiento de los electrones e iones que componen el plasma.

Los bucles, que pueden proyectarse 100.000 kilómetros sobre la superficie del astro, pueden persistir durante minutos u horas. Generalmente crecen y evolucionan lentamente, pero a veces pueden lanzar abruptamente una enorme cantidad de energía —miles de millones de veces más fuerte que la explosión nuclear más poderosa en la Tierra— al espacio. Esta repentina explosión de energía se conoce como llamarada solar.

Parte de la energía en la llamarada toma la forma de partículas cargadas y «rayos X duros», que son ondas electromagnéticas de alta energía como las que se usan para obtener imágenes de los huesos en el consultorio de un médico. El propio campo magnético y la atmósfera de la Tierra actúan como un escudo que protege la vida en la superficie de ser cocinada por estos torrentes de energía, pero se sabe que interrumpen las comunicaciones y las redes eléctricas. También representan una amenaza constante para las naves espaciales y los astronautas en el espacio.

Configuración experimental.

Si bien el hecho de que las erupciones solares generan partículas energéticas y explosiones de rayos X se conoce desde hace mucho tiempo, los científicos solo están comenzando a reconstruir el mecanismo por el cual lo hacen.

Los investigadores tienen dos opciones para descifrar cómo y por qué se forman y cambian los bucles. La primera es observar el Sol y esperar capturar el fenómeno con suficiente detalle para producir información relevante. La segunda es simular los bucles en un laboratorio. Paul Bellan del Caltech, profesor de física aplicada, eligió esta última.

En un laboratorio en el primer piso de los Laboratorios de Física Aplicada de Thomas J. Watson, Sr., en el campus de Caltech, Bellan construyó una cámara de vacío con electrodos gemelos en su interior. Para simular el fenómeno, cargó un condensador con suficiente energía para hacer funcionar la ciudad de Pasadena durante unos microsegundos y luego lo descargó a través de los electrodos para crear un bucle de corona solar en miniatura.

Imágenes de series temporales de la evolución del bucle de plasma experimental. Crédito: Zhang et al., Nat. Astron., 2023.

Cada bucle dura unos 10 microsegundos y tiene una longitud de unos 20 cm y un diámetro de aproximadamente 1 cm. Pero estructuralmente, los bucles de laboratorio son idénticos a los reales, lo que ofrece la oportunidad de simularlos y estudiarlos a voluntad.

«Cada experimento consume tanta energía como la que se necesita para hacer funcionar una bombilla de 100 vatios durante aproximadamente un minuto, y solo se necesitan un par de minutos para cargar el condensador», precisó Bellan, coautor de un nuevo artículo sobre las erupciones solares publicado en Nature Astronomy.

El físico capturó cada bucle con una cámara capaz de tomar 10 millones de fotogramas por segundo y luego estudió las imágenes resultantes.

Geometría fractral

Entre los descubrimientos recientes se encuentran que los bucles de la corona solar no parecen ser una estructura única, sino que están compuestos de hebras trenzadas fractalmente similares a una cuerda grande.

«Si diseccionas un trozo de cuerda, ves que está hecho de trenzas de hebras individuales», explicó Yang Zhang, estudiante graduado y autor principal del estudio. «Separe esos hilos individuales y verá que son trenzas de hilos aún más pequeños, y así sucesivamente. Los bucles de plasma parecen funcionar de la misma manera».

Comparación entre la observación solar y la observación experimental.

Resulta que esa estructura es importante para la generación de partículas energéticas y ráfagas de rayos X asociadas con las erupciones solares. El plasma es un conductor eléctrico fuerte; piense en los letreros de neón, que están llenos de plasma y se encienden cuando pasa la electricidad. Sin embargo, cuando demasiada corriente intenta pasar a través de un bucle de corona solar, la estructura se ve comprometida. El bucle desarrolla una torcedura —una inestabilidad en forma de sacacorchos— y los hilos individuales comienzan a romperse. Cada nuevo hilo roto luego descarga tensión sobre los restantes.

«Al igual que una banda elástica estirada demasiado apretada, el lazo se vuelve más largo y más delgado hasta que los hilos simplemente se rompen», señaló Seth Pree, el otro coautor del artículo.

Rayos X

Al estudiar el proceso microsegundo a microsegundo, el equipo notó un pico de voltaje negativo asociado con un estallido de rayos X en el instante exacto en que se rompió un hilo. Este pico de voltaje es similar a la caída de presión que se acumula en el punto de constricción de una tubería de agua. El campo eléctrico de este pico de voltaje acelera las partículas cargadas a una energía extrema, luego se emiten rayos X cuando las partículas energéticas se desaceleran.

Además, Zhang revisó imágenes de erupciones solares y pudo documentar una inestabilidad de torsión similar a la creada en el laboratorio que se asoció con un estallido de rayos X posterior.

A continuación, el equipo planea explorar cómo los bucles de plasma separados pueden fusionarse y reorganizarse en diferentes configuraciones. Están interesados en saber si también hay eventos de explosión de energía durante este tipo de interacción.

Fuente: Caltech. Edición: MP.

Físicos generan con éxito pequeñas llamaradas solares en el laboratorio