Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarte el uso de la web mediante el análisis de tus preferencias de navegación. También compartimos la información sobre el tráfico por nuestra web a los medios sociales y de publicidad con los que colaboramos. Si continúas navegando, consideramos que aceptas nuestra Política de cookies .

7 de Mayo de 2019
El Sol

El Sol es más extraño de lo que se imaginaban los astrofísicos

El Sol radia mucha más luz de alta frecuencia de lo esperado. Hace pensar en características desconocidas del campo magnético solar y en la posibilidad de fenómenos físicos más exóticos.

El observatorio HAWC, tal y como se encontraba, aún no concluido, en 2014. Está instalado junto al volcán Sierra Negra, en México. Detecta rayos cósmicos y rayos gamma de alta energía mediante el efecto Cherenkov que se produce cuando las cascadas de partículas que los rayos crean en la atmósfera atraviesan el agua de los depósitos que se ven en la imagen, con casi 200.000 litros de agua cada uno [Jordanagoodman].

Una década de observaciones del Sol ha revelado un misterio sorprendente: la estrella que más cerca tenemos radia siete veces más rayos gamma, las ondas de luz de mayor frecuencia, de lo esperado. Y lo que es aún más extraño: pese a este extremo exceso de rayos gamma en general, se tiene la curiosa circunstancia de que una estrecha banda de frecuencias está ausente.

La luz de más, el hueco en el espectro y otras sorpresas de los rayos gamma solares apuntan en principio a características desconocidas del campo magnético solar o a fenómenos físicos más peculiares.

«Es asombroso que estuviésemos tan espectacularmente equivocados acerca de algo que deberíamos conocer pero que muy bien: el Sol», dice Brian Fields, astrofísico de partículas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

La inesperada señal se manifestó en los datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, un observatorio que rastrea el cielo desde una órbita terrestre de baja altitud. A medida que el Fermi ha ido acumulando más datos y se iba descubriendo así el espectro de los rayos gamma procedentes del Sol con mayor detalle, han proliferado los hallazgos desconcertantes.

«No hemos ido dejando de encontrar cosas sorprendentes», como dice Annika Peter, de la Universidad del Estado de Ohio y coautora de un informe reciente que resume varios años de hallazgos sobre la señal de los rayos gamma solares. «Sin lugar a dudas, nunca he trabajado en algo tan sorprendente».

No solo la señal de rayos gamma es más fuerte de lo que predecía una teoría que tiene ya muchos años. Se extiende además hasta frecuencias mucho mayores de lo predicho y varía inexplicablemente a través de la faz del Sol y del ciclo solar de once años. Y hay además un hueco (un dip, como lo llaman en inglés los investigadores, un «bajón»): una carencia de rayos gamma con frecuencias de alrededor de diez billones de billones de hercios. «El bajón desafía a toda lógica», como dice Tim Linden, astrofísico de partículas de la Universidad del Estado de Ohio que ha participado en el análisis de la señal

Según Felds, que no tomó parte en esas investigaciones, «han hecho un gran trabajo con los datos y lo que se desprende es verdaderamente asombroso».

Los probables protagonistas de la historia son las partículas llamadas rayos cósmicos, de ordinario protones disparados hacia el sistema solar por las ondas de choque de las supernovas distantes o por otras explosiones.

Los físicos no creen que el Sol emita rayo gamma alguno desde dentro. (Las fusiones nucleares de su interior los producen, pero antes de salir del Sol se dispersan y degradan convirtiéndose en luz de menor energía). Sin embargo, en 1991 los físicos David Seckel, Todor Stanev y Thomas Gaisser, de la Universidad de Delaware, plantearon la hipótesis de que el Sol debía, pese a ello, brillar en rayos gamma. La razón estaba en los rayos cósmicos lanzados a través del espacio exterior hacia nuestra estrella.

En ocasiones, mantenía el trío de Delaware, un rayo cósmico que va a zambullirse en el Sol rebota en el último segundo, como en un espejo, por obra del campo magnético solar, lleno de rizos y torsiones. «¿Os acordáis de los dibujos animados del Correcaminos?», dice John Beacom, profesor de la Universidad de Ohio y uno de los directores del análisis de la señal. «Imaginaos que el protón corre derecho hacia esa esfera y que en el último segundo cambia de dirección y se vuelve hacia vosotros». Pero en su trayectoria hacia fuera el rayo cósmico choca con el gas de la atmósfera solar y mana un chorro de radiación gamma en esa dirección.

Se pensaba que la radiación gamma del Sol procedía de los rayos cósmicos que interaccionan con el campo magnético solar y colisionan después con moléculas de gas cercanas a la superficie del astro. Pero esta teoría, enunciada hace muchos años, no explica ni la intensidad que se le ha observado a la señal de los rayos gamma solares ni tampoco otras de sus características [5W Infographics para <em>Quanta Magazine</em>].Habida cuenta del ritmo al que los rayos cósmicos entran en el sistema solar, la intensidad que se le calcula al campo magnético solar, la densidad de la atmósfera del Sol y otros factores, Seckel y sus compañeros calcularon que ese proceso especular tendría una eficiencia de alrededor de un uno por ciento. Predijeron un débil resplandor de rayos gamma.

Sin embargo, el Telescopio Fermi detecta, en promedio, siete veces más rayos gamma procedentes del disco solar que lo predicho por esa teoría de los rayos cósmicos. Y la señal llega a ser veinte veces más fuerte de lo predicho para los rayos gamma de las mayores frecuencias. «Lo que encontramos era que el proceso era compatible con una eficiencia del cien por cien a altas energías», explica Linden. «Cada rayo cósmico que llega tiene que darse la vuelta». Es desconcertante: los rayos cósmicos de mayor energía tendrían que ser los menos susceptibles a ser devueltos como por un espejo.

El fuerte brillo de los rayos gamma quizá refleje una fuente distinta a esos rayos cósmicos que se abisman. Pero a los físicos no les es fácil imaginar una. Hace mucho que sospechan que el núcleo solar podría albergar materia oscura. Eso, y que podría haber una densidad de partículas de materia oscura, tras haber sido atraídas y atrapadas por la gravedad, suficiente para aniquilarse entre sí. Pero ¿cómo podrían los fotones producidos por la aniquilación de la materia oscura evitar la dispersión antes de escapar del Sol? Los intentos de ligar la señal de los rayos gamma a la materia oscura «parecen algo así como una máquina de Rube Goldberg [un artilugio muy complicado para realizar una tarea sencilla]», dice Seckel.

Algunos aspectos de la señal apuntan a los rayos cósmicos y a la teoría de 1991. Por ejemplo, el Telescopio Fermi detecta muchos más rayos gamma durante el mínimo solar, la fase del ciclo solar de once años en la que su campo magnético más en calma y más ordenado está. Eso tendría sentido, según los expertos, si los rayos cósmicos fueran la fuente. Durante el mínimo solar, más son los rayos cósmicos que pueden alcanzar el intenso campo magnético cercano a la superficie solar y reflejarse como en un espejo en vez de que los desvíe prematuramente el turbulento amasijo de líneas del campo que impregna, en otros momentos, el sistema solar interior.

Pero, por otra parte, los rayos gamma detectados disminuyen en función de la frecuencia a un ritmo diferente que los rayos cósmicos. Si estos fuesen la fuente, sería de esperar que ambos ritmos coincidiesen.

Sean los rayos cósmicos la razón de la señal de rayos gamma entera o no, Joe Giacalone, físico de la Universidad de Arizona especializado en la helioesfera, dice que la señal «probablemente nos está diciendo algo muy fundamental sobre la estructura magnética del Sol». El Sol es la estrella más estudiada, y sin embargo se sigue sin conocer bien su campo magnético, generado por el turbulento bullir de las partículas cargadas en el astro, y por ello nos queda solo una imagen borrosa del funcionamiento de las estrellas.

Giacalone apunta a la corona, el ralo envoltorio de plasma que rodea al Sol. Para que refleje como un espejo de modo eficiente a los rayos cósmicos, el campo magnético de la corona tiene probablemente que ser más fuerte y tener una orientación distinta de la pensada, afirma. No obstante, observa también que el campo magnético coronario ha de ser más fuerte solo muy cerca de la superficie del Sol porque, si no, reflejaría los rayos cósmicos demasiado pronto, antes de que hubiesen entrado en la zona donde la atmósfera es suficientemente densa para que haya colisiones. Y el campo magnético parece que se hace particularmente fuerte cerca del ecuador durante el mínimo solar.

Estas nuevas pistas acerca de la estructura del campo magnético podrían contribuir a la solución del misterio, que de tan lejos viene ya, del ciclo solar.

«Cada once años, el campo magnético entero del Sol se invierte», explica Igor Moskalenko, científico de la Universidad Stanford que forma parte del equipo científico del Fermi. «Tenemos el sur en el lugar del norte y el norte en el lugar del sur. Es un cambio drástico. El Sol es enorme, y por qué observamios este cambio de polaridad y por qué es tan periódico es algo que, la verdad, desconocemos». Los rayos cósmicos y la pauta de los rayos gamma que producen «podrían responder esta pregunta tan importante: ¿por qué la polaridad del Sol cambia cada once años?»

Visualizaciones del campo magnético solar el 1 de enero de 1997, el 1 de junio de 2003 y el 15 de noviembre de 2013 basadas en las mediciones del Observatorio Solar y Heliográfico. El color verde indica una polaridad positiva y el morado, negativa [Estudio de Visualización Científica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA].Pero no hay buenas conjeturas acerca de cómo podría el campo magnético crear el bajón en el espectro de rayos gamma en el billón de billones de hercios. Es una característica tan inusual que algunos expertos dudan de que sea real. Pero si la ausencia de rayos gamma alrededor de esa frecuencia es un error de cálculo o un problema de los instrumentos del Fermi, nadie ha dado con cuáles podrían ser. «No parece ser un efecto instrumental», mantienen Elena Orlando, astrofísica de Stanford y miembro del equipo del Fermi.

Cuando Per, Linden, Beacom y sus colaboradores encontraron el año pasado en los datos del Fermi la existencia del bajón, se esforzaron en librarse de él antes de publicar su descubrimiento. «Creo que hay quince páginas en el apéndice con las distintas comprobaciones que hicimos para ver si no estaríamos cometiendo un error de cálculo», explica Linden. «Estadísticamente, el bajón parece muy manifiesto».

Pero Orlando recalca que el movimiento del Sol a través del cielo hace que el análisis de los datos sea muy arduo. Debe de saberlo bien: ella, con un colaborador, fue quien descubrió la corriente de rayos gamma procedente del Sol, en 2008. Lo logró gracias al satélite EGRET, el predecesor del FERMI. Orlando ha desempeñado también un papel central en el procesamiento de los datos del Fermi sobre los rayos gamma solares. En su opinión, se necesitan más datos y análisis independientes para confirmar que el bajón es real.

Una avería de los paneles solares mantuvo al telescopio Fermi apartado casi siempre del Sol durante el último año, pero se han encontrado apaños justo a tiempo para el mínimo solar. Las líneas del campo magnético están en estos momentos curvándose ordenadamente de polo a polo; si este mínimo solar es como el último, la señal de los rayos gamma se encuentra ahora en su fase más vigorosa. «Esto es lo que hace que sea algo tan fascinante», opina Linden. «Justo ahora estamos alcanzando el pico del mínino solar, así que tenemos la esperanza de que veremos las emisiones de alta energía [de rayos gamma] con varios telescopios».

Esta vez tomará datos, además del Fermi, el HAWC (acrónimo de Experimento Cherenkov en Agua a Gran Altitud). HAWC detecta rayos gamma a frecuencias mayores que el Fermi, y así revelará otra parte de la señal. Los científicos están ansiosos también por ver si el patrón espacial de los rayos gamma cambia con respecto al de once años, pues los rayos cósmicos siguen teniendo carga eléctrica positiva, pero los polos norte y sur del Sol se han invertido.

Estas pistas podrían servir para resolver el misterio solar. Los científicos del HAWC esperan informar de sus primeros hallazgos dentro de un año, y científicos tanto de la colaboración del Fermi como de fuera de ella han empezado ya a echarle un vistazo a los datos que este va acumulando. Como la NASA está costeada con fondos públicos, «cualquiera puede descargarlos si quiere mirarlos», explica Linden, que se descarga nuevos datos del Fermi casi cada día.

«Lo peor que puede pasar aquí es que nos encontremos con que el Sol es más extraño y bello de lo que jamás nos hubiésemos imaginado», dice Beacom. «Y lo mejor que podría pasar es que descubriésemos alguna forma nueva de física».

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «The Sun at GeV--TeV Energies: A New Laboratory for Astroparticle Physics», de M. U. Nisa e t al. en arXiv: 1903.06349 [astro-ph.HE].

Artículos relacionados

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.