Un pequeño sol en un frasco arroja luz sobre las erupciones solares

Skibba de carnero

Seth Putterman comenzó estudiando el comportamiento del plasma por razones de seguridad nacional. Los misiles hipersónicos extremadamente rápidos calientan e ionizan el aire circundante y forman una nube de partículas cargadas llamada plasma, que absorbe las ondas de radio y dificulta que los operadores en tierra se comuniquen con los misiles, un problema que Putterman estaba tratando de resolver. Entonces se le ocurrió: la misma física del plasma se aplica a nuestro sol.

El científico de la UCLA y sus colegas ahora han creado lo que Putterman llama "nuestro sol en un frasco", una bola de vidrio de 1,2 pulgadas llena de plasma, que han usado para modelar procesos como los que crean las erupciones solares. Estos son estallidos explosivos de energía a veces acompañados por la liberación de una gota de plasma de alta velocidad que podría causar estragos en los satélites en órbita y las redes eléctricas en tierra. "Los pasos que estamos dando influirán en el modelado para que pueda haber una advertencia y determinación de los precursores del clima espacial", dice Putterman, autor principal de un estudio en Physical Review Letters que describe sus experimentos.

El sol es básicamente un infierno arremolinado de plasma formado por partículas de gas cargadas eléctricamente en rotación, en su mayoría electrones y átomos de hidrógeno despojados de sus electrones. (El plasma estelar es un poco diferente del plasma de baja densidad utilizado en los reactores de fusión tokamak). Durante mucho tiempo, los investigadores han tratado de comprender mejor las erupciones solares, especialmente en caso de que se lance un fragmento de plasma particularmente grande hacia la Tierra.

Los experimentos del equipo comenzaron colocando un poco de gas de azufre parcialmente ionizado dentro de una bombilla de vidrio, luego bombardeándolo con microondas de baja frecuencia, similar al tipo que se usa en un horno de microondas, para excitar el gas y calentarlo hasta unos 5000 grados Fahrenheit. Descubrieron que una pulsación de 30 kHz de las microondas genera una onda de sonido que ejerce una presión que hace que el gas caliente se contraiga. Esta presión de ondas de sonido crea una especie de "gravedad acústica" y hace que el fluido se mueva como si estuviera dentro del campo de gravedad esférico del sol. (El campo de gravedad del experimento es alrededor de 1000 veces más fuerte que el de la Tierra). Esto genera convección de plasma, un proceso en el que el fluido caliente asciende y el fluido más frío y denso se hunde en el centro de la bola de cristal. De esta manera, el equipo se convirtió en las primeras personas en la Tierra en crear algo parecido a la convección esférica que normalmente se encuentra en el interior de una estrella.

Su proyecto primero fue financiado por DARPA, el brazo de investigación avanzada del Pentágono, debido a sus aplicaciones para vehículos hipersónicos. Luego obtuvo el respaldo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, ya que el clima espacial puede interferir con aviones y naves espaciales. Pero los astrónomos creen que también puede decirnos algo fundamental sobre el comportamiento del sol. "Creo que el verdadero significado es comenzar a simular la convección solar en el laboratorio y, por lo tanto, obtener información sobre el misterioso ciclo solar del sol", dice Tom Berger, director ejecutivo del Centro de Educación, Investigación y Tecnología del Clima Espacial de la Universidad. de Colorado en Boulder, que no participó en el estudio. Berger se refiere a un ciclo de aproximadamente 11 años en el que la zona de convección interna del sol de alguna manera se vuelve más activa, lo que hace que la capa exterior, o corona, genere llamaradas y explosiones de plasma más frecuentes e intensas, llamadas eyecciones de masa coronal. Es difícil sondear las regiones internas del sol, dice Berger, aunque la NASA está intentando hacerlo con una nave espacial llamada Observatorio de Dinámica Solar, que usa ondas de sonido para mapear la superficie del sol y hacer inferencias sobre el plasma que se encuentra debajo.

Otros en el campo también elogian la investigación de Putterman y sus colegas, pero señalan que tiene limitaciones. "Es un desarrollo emocionante e innovador. Está hecho de manera inteligente. Siempre ha sido un desafío simular la dinámica interna de una estrella en un laboratorio", dice Mark Miesch, investigador del Centro de predicción del clima espacial de la NOAA y la Universidad de Colorado.

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Los científicos han luchado durante mucho tiempo para producir convección de plasma en una esfera. En experimentos anteriores, la gravedad de la Tierra influiría en el movimiento del plasma e interrumpiría los intentos. Eso provocó un precursor de esta investigación, Geoflow, un proyecto de la Agencia Espacial Europea que se elevó a la Estación Espacial Internacional en 2008. Creó un modelo experimental de cómo fluyen los fluidos dentro de un planeta, que no es tan diferente a la convección en el interior de las estrellas. Putterman y su equipo han demostrado que es posible crear convección esférica sin entrar en la microgravedad del espacio.

Sin embargo, el sol en un frasco tiene una deficiencia importante: carece de campos magnéticos, un elemento crucial de las erupciones y otras tormentas solares, dice Miesch. La energía de las tormentas solares proviene del campo magnético del sol. Cuando el ciclo solar alcanza su máximo, que es dentro de unos años, los campos magnéticos en las regiones internas del sol se enredan, creando tubos de campos magnéticos concentrados que suben a la superficie y producen manchas solares. Y es en estas regiones donde se originan las llamaradas y las eyecciones de masa coronal. Para Putterman y sus colegas, intentar incorporar campos magnéticos en su estrella modelo será parte de la próxima fase de su investigación.

Mientras tanto, Putterman dice que él y sus colegas siguen encontrando nuevas aplicaciones para sus experimentos. Eso incluye el estudio de las estrellas Cefeidas, que se iluminan y se oscurecen periódicamente y cuyas pulsaciones regulares actúan como hitos cósmicos, lo que permite a los científicos trazar las distancias a otros objetos astronómicos. "Hay muchas direcciones a seguir", dice Putterman. "Sentimos que hicimos un gran avance en la ciencia básica, y cuando haces eso, tiene muchos tentáculos, y estos son los que disfrutamos explorar".