Astrofísica

El colombiano detrás del hallazgo que esclarece uno de los grandes misterios del sol

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¿Por qué las capas más exteriores del Sol están más calientes que su superficie? Este es uno de los misterios que durante décadas los científicos han intentado resolver. El astrofísico colombiano Patrick Antolin Tobos hizo un gran aporte para responder esa pregunta.

El Sol es la estrella más cercana a la Tierra y la fuente de energía que permite la existencia de todas la formas de vida en la superficie del planeta. La comida que usted consume, la electricidad que llega a su casa y la luz que ilumina sus días son el producto de los procesos que ocurren en esta enorme bola de gas que brilla a 150 millones de kilómetros de usted. Por eso resulta sorprendente que el Sol aún guarde misterios tan profundos como el que el astrofísico colombiano Patrick Antolin Tobos ayudó a resolver.

Sabemos que el Sol está hecho de hidrógeno y helio. Lo confirmó la astrónoma Cecilia Payne-Gaposchkin en 1925. Sabemos que produce energía por las reacciones nucleares que se producen en las grandes presiones que existen en su interior. Se sospechaba desde que Albert Einstein propuso la equivalencia entre materia y energía, y lo explicó en 1938 el físico Hans Bethe, quien calculó que la inmensa cantidad de energía que produce el Sol es el resultado de una cadena de reacciones en las que los núcleos de átomos livianos, como los de hidrógeno y helio, se unen para formar núcleos más pesados (fusión nuclear). Casi al mismo tiempo el sueco Bengt Edlén y el alemán Walter Grotrian publicaron las observaciones que desde entonces se han convertido en un quebradero de cabeza para los físicos: las capas mas exteriores del Sol están mas calientes que su superficie.

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La región por encima de la superficie del Sol es visible durante los eclipses solares, cuando el Sol está cubierto por la Luna. Existen registros de su observación desde el siglo XVIII, pero fue el astrónomo español José Joaquin de Ferrer quien alrededor de 1809 le puso el nombre con el que la conocemos hoy: corona. Es por la forma de la corona solar que se le da el nombre de coronavirus a la familia de virus a la que pertenece el causante de la pandemia que aún aqueja a la humanidad. Las proteínas que envuelven a los coronavirus, vistas por primera vez a través de un telescopio electrónico en 1968, le dan un aspecto similar al del Sol durante un eclipse. Pero el parecido es solamente aparente.

La corona solar está formada por innumerables estructuras con apariencia de plumas que se extienden por encima de la superficie del sol. La luz que emite en distintas frecuencias indica que está a varios millones de grados centígrados, unas centenas de veces más calientes que la superficie del Sol. Si algo sabemos sobre las fuentes de calor en la Tierra es que su influencia disminuye cuando uno se aleja de ellas -puede hacer el experimento responsablemente con una lámpara o una vela-. Por eso descubrir que la corona solar está más caliente que su superficie es tan sorprendente como quemarse al alejarse de una llama.

Si el misterio de la temperatura de la corona solar no se ha quedado exclusivamente en los seminarios de física y astronomía es porque su comportamiento tiene consecuencias importantes en la vida de los humanos modernos. Una tormenta solar, causada por la expulsión de masa de la corona solar, puede interrumpir las telecomunicaciones globales, afectar los sistemas de navegación de barcos y aviones o dejar a millones de personas sin electricidad, como sucedió en 1989 en Canadá y Estados Unidos. No es una exageración decir que el comportamiento del Sol es un asunto de seguridad nacional. La Tierra se encuentra dentro de la corona solar. Como una piedra en un río, está a merced de cualquier crecida. Por eso monitorearla es una prioridad para los países industrializados. Pero predecir su comportamiento no es una tarea fácil.

Si hay alguien en el mundo que se ha acercado a entender el comportamiento del Sol, es el astrofísico teórico Eugene Parker, que cumplió 93 años hace apenas unos meses. En los años 50, Parker desarrolló una teoría que explica el comportamiento de los chorros de partículas que expide el Sol (viento solar) y la espiral de campo magnético que envuelve todo el sistema solar como producto de su rotación (la espiral de Parker). No por nada la sonda lanzada en 2017 por la NASA para hacer la mayor aproximación al Sol en la historia de la humanidad lleva su nombre: la Parker Solar Probe.

En 1987, Parker propuso una solución al misterio de la temperatura de la corona solar: la materia alrededor del Sol se calienta por el efecto de nano-fulguraciones (nano-flares), emanaciones de energía mil millones de veces menos energéticas que las fulguraciones que de vez en cuando se producen en la superficie (de ahí el nombre “nano”), pero que de forma acumulativa pueden calentar la corona solar y explicar su temperatura extrema. Pero si no se había cerrado el enigma planteado por las observaciones de Edlén y Grotrian hace casi 80 años era porque no existían evidencias que confirmaran la hipótesis de Parker, o muchas otras teorías alternativas. Hasta esta semana.

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Este lunes, un equipo liderado por el astrofísico colombo-francés Patrick Antolin Tobos (nació en Senegal, hijo de madre colombiana y padre fránces), hizo el anuncio de la primera detección de nano-fulguraciones en la corona solar en una publicación de la revista científica Nature Astronomy. Usando observaciones de los telescopios satélites IRIS (siglas en inglés del espectrógrafo de imágenes de la región de interfaz) y SDO (observatorio de dinámica solar) de la NASA y Hinode (amanecer en japonés) de JAXA, Antolin identificó en múltiples frecuencias de luz un arco de gas que se extendía hasta llegar a 40 mil kilómetros sobre la superficie del Sol. Aunque este arco se extendía en la corona solar no se había calentado aún y permanecía por debajo de los 60 mil grados de temperatura. Luego, en el transcurso de unos 10 minutos, observó cómo el arco se calentaba a los millones de grados característicos de la corona. Particularmente, logró identificar en el proceso un centenar de destellos, cada uno de unos 10 segundos de duración. Cada destello mostraba una característica única de una nano-fulguración. Una evidencia contundente de que la teoría de Parker es una explicación plausible al comportamiento de la corona solar.

Desenmarañar un misterio de la física no es una tarea fácil. Tampoco es fácil ponerse en el foco de atención alrededor de un problema tan famoso como el de la corona solar. “El tema de las nano-fulguraciones en la física solar es tabú. Debido a su fuerte relación con el calentamiento de la corona solar y el gran prestigio de ese problema, existen muchos trabajos que afirman su detección sin probar realmente que la reconexión magnética es su conductor”, afirma Antolin, quien desde hace unos meses es profesor titular de la Universidad de Northumbria en Newcastle (Inglaterra) y realizó este trabajo gracias una beca Ernest Rutherford del Science and Technology Facilities Council (organismo que financia proyecto de ciencia e ingeniería en el Reino Unido).

La reconexión magnética es el intrigante fenómeno que origina las nano-fulguraciones predichas por Parker y es un fenómeno en el que la energía concentrada en el campo magnético se libera en forma de calor y energía cinética (movimiento). Para imaginarlo piense en lo que le pasa a una liga de caucho (gomas elásticas) cuando usted la enrolla. Toda la tensión acumulada en el caucho hace que salte a su forma original apenas se lo deja en reposo. De la misma forma los campos magnéticos enrollados por los movimientos de la materia pueden liberar grandes cantidades de energía. Pero hasta ahí alcanza el ejemplo porque la reconexión magnética solamente se da en los plasmas, un estado de la materia en donde los núcleos de los átomos y los electrones andan libres y cuyo comportamiento va más allá de las analogías que uno pueda hacer con los objetos que ve a diario. Construir esa intuición para entender el comportamiento de los plasma es la aspiración de todo investigador en astrofísica.

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Aunque la reconexión magnética ha sido estudiada desde los años 50, las primeras observaciones de este fenómeno en el Sol y en los laboratorios solamente fueron posibles durante las últimas dos décadas. Tal vez por eso este resultado estuvo madurando durante seis años, desde la época en que Antolin trabajaba como investigador postdoctoral en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en Tokyo. “El satélite IRIS era una novedad y había gran alboroto por el tipo de resultados que podía traer. Cada semana revisaba el repositorio de imágenes recién procesadas hasta que un día encontré estos patrones que encontré muy interesantes pero que no tenía ni idea de que podían ser. Al estar involucrado en varios proyectos a la vez, estas observaciones solamente acumularon polvo en mi escritorio hasta que comencé a trabajar en la Universidad de St Andrews (Escocia) y luego en Northumbria, donde transcurrió el largo proceso de cuatro años de investigación que terminó en esta publicación”, comenta.

“La tarea más difícil para cualquier investigador es convencerse a sí mismo de que su interpretación es correcta, pero intentar convencer a los compañeros de trabajo es otro nivel de dificultad”, comenta el investigador, cuyos resultados están acompañados de complejas simulaciones por computador que respaldan su interpretación. “Al principio de este estudio hicimos un esfuerzo por no mencionar las nano-fulguraciones (predichas por Parker) por el temor a ser parcial y no ver una posibilidad más simple de explicar el fenómeno. Sin embargo, a medida que el trabajo avanzaba, el elefante en la habitación no se podía ignorar. Quedó claro que lo que estábamos observando eran nano-fulguraciones”, concluye el el matematico y físico de la Universidad de los Andes (Bogotá) y doctor en física de la Universidad de Kyoto (Japón) y de Oslo (Noruega), quien a pesar de haber vivido por medio mundo me responde “Boyacá” cuando le pregunto de dónde es.

Aún no podemos predecir completamente el comportamiento del Sol. Conocemos los ciclos de nuestra estrella pero sus tormentas aún nos toman por sorpresa. El pronóstico del “clima” en el espacio, el cual está íntimamente ligado al funcionamiento de la sociedad moderna, es aún elusivo. Pero entender la corona solar es un paso enorme, como un difícil premio de montaña en la interminable carrera que es entender el universo. Hoy son Patrick Antolin Tobos y sus compañeros quienes se paran sobre los hombros de gigantes -humanos y tecnológicos- para ver más allá de esta cumbre.

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