¿Por qué la corona solar es mucho más caliente que la superficie del Sol?

En un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal, un investigador de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), parte del Sistema Universitario de Alabama, explora aspectos críticos de un fenómeno llamado las ondas cinéticas de Alfvén (KAW) para proporcionar nuevos conocimientos sobre un antiguo misterio de la heliofísica.

Syed Ayaz, un asistente de investigación de posgrado en el Centro de Plasma Espacial e Investigación Aeronómica (CSPAR) de la UAH, examinó el papel potencialmente fundamental de los KAW en el calentamiento de la corona solar, acercando a la ciencia un paso más a resolver el enigma de por qué la corona es mucho más caliente que la superficie del propio sol.

"Durante décadas, se ha demostrado que las ondas de Alfvén son las mejores candidatas para transportar energía de un lugar a otro", afirma Ayaz, destacando el papel potencial de las KAW en el impulso del calor coronal.

"Este artículo utiliza un enfoque novedoso para modelar partículas energéticas en plasmas espaciales, como las observadas por satélites como Viking y Freja, para responder cómo la energía electromagnética de las ondas, al interactuar con las partículas, se transforma en calor durante el proceso de amortiguación a medida que las ondas se mueven a través del espacio.

"Nuestra investigación explora los campos electromagnéticos perturbados, el vector de flujo de Poynting y la tasa de entrega de energía de los KAW en la atmósfera solar".

¿Qué es la corona solar?

La corona, o atmósfera solar, es una región enigmática que rodea nuestra estrella y que se extiende mucho más allá del disco visible del Sol, a unos 8 millones de kilómetros por encima de la superficie del Sol. Sin embargo, la corona también se caracteriza por temperaturas extraordinariamente altas, un misterio que ha cautivado a los astrofísicos durante casi setenta años.

"Syed es uno de nuestros estudiantes más destacados que está empezando su carrera de investigación", afirma el Dr. Gary Zank, director del CSPAR y presidente del programa Aerojet Rocketdyne del Departamento de Ciencias Espaciales de la UAH. "Su interés permanente por las ondas de Alfvén, que comenzó cuando era estudiante en Pakistán y trabajaba con su mentor, el Dr. Imran A. Kahn, ha dado lugar ahora a su investigación de estas ondas a escalas muy pequeñas, la llamada escala cinética en un plasma.

Temperaturas de la corona solar del orden de 1.000.000 ºC

"Su trabajo ofrece importantes perspectivas sobre el problema crítico de cómo la energía en un campo magnético se transforma para calentar un plasma que comprende partículas cargadas como protones y electrones. Una razón por la que el trabajo de Syed es importante es porque todavía no entendemos por qué la atmósfera del sol tiene más de un millón de grados, en comparación con la superficie del sol, que tiene una temperatura comparativamente fría de 6.500 grados".

Las ondas cinéticas de Alfvén, abundantes en todo el universo de plasma, son oscilaciones de los iones y del campo magnético a medida que se desplazan por el plasma solar. Las ondas se forman por los movimientos en la fotosfera, la capa exterior del sol que irradia luz visible.

"Mi principal interés en estas ondas surgió a raíz de los lanzamientos de las misiones Parker Solar Probe y Solar Orbiter, que plantearon la cuestión crucial de cómo se calienta la corona solar", afirma Ayaz. "Hasta ahora, ninguna misión espacial ha proporcionado predicciones sobre estos fenómenos cerca del Sol, específicamente, dentro del rango de radios solares de 0 a 10. Nuestro objetivo principal es investigar el calentamiento por ondas KAW dentro de estos rangos en la corona solar ".

"Nos centramos en el calentamiento y el intercambio de energía que facilitan las ondas KAW", señala el investigador. "El motivo del gran interés por estas ondas reside en su capacidad para transportar energía. Los datos de observación de numerosas naves espaciales e investigaciones teóricas han demostrado de forma consistente que las ondas KAW se disipan y contribuyen al calentamiento coronal solar durante su propagación en el espacio".

Debido a estas propiedades únicas, las ondas proporcionan un mecanismo crítico para transferir energía, importante para comprender el intercambio de energía entre los campos electromagnéticos y las partículas de plasma.

"Las KAW operan en pequeñas escalas cinéticas y son capaces de soportar fluctuaciones paralelas del campo eléctrico y magnético, lo que permite una transferencia de energía entre el campo de ondas y las partículas de plasma a través de un fenómeno llamado interacciones de Landau", dice Ayaz.

"El presente trabajo utilizó y explora el mecanismo de amortiguación de Landau, que ocurre cuando las partículas que se mueven paralelas a una onda tienen velocidades comparables a la velocidad de fase de la onda".

La amortiguación de Landau es una disminución exponencial en función del tiempo de determinadas ondas en el plasma. "Cuando las partículas interactúan con la onda, reciben/pierden energía, un término llamado 'condición resonante'", dice Ayaz.

"Esto puede hacer que la onda transmita su energía a las partículas o que obtenga energía de ellas, lo que hace que las partículas se humedezcan o crezcan. Nuestra investigación descubre que las ondas KAW se disipan rápidamente y transfieren completamente su energía a las partículas de plasma en forma de calor. Esta transferencia de energía acelera las partículas a lo largo de distancias espaciales más largas, lo que afecta significativamente la dinámica del plasma ".

Los conocimientos analíticos extraídos de este estudio encontrarán aplicaciones prácticas para comprender los fenómenos dentro de la atmósfera solar, en particular arrojando luz sobre el importante papel que desempeñan las partículas no térmicas en los procesos de calentamiento.

Referencia

Syed Ayaz et al, Solar Coronal Heating by Kinetic Alfvén Waves, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad5bdc