domingo, 21 de febrero de 2010

Observatorio de Dinámica Solar: La misión del "Sol variable"

El Observatorio de Dinámica Solar, programado para despegar
el 9 de febrero, tomará películas tipo IMAX de las explosiones
solares, escudriñará por debajo de la superficie solar para ver
la dínamo interna del Sol y, esperan los investigadores, revelará
los misterios de la variabilidad solar.

Febrero 5, 2010: Desde hace algunos años, una idea no ortodoxa ha estado ganando adeptos entre los astrónomos. Esta idea se contradice con las viejas enseñanzas y perturba a los observadores atentos, en especial a los climatólogos.

"El Sol", explica Lika Guhathakurta, de las oficinas centrales de la NASA, en Washington DC, "es una estrella variable".

Concepto artístico del "Sol variable"Pero parece tan constante…

Esa es sólo una limitación del ojo humano. Modernos telescopios y naves espaciales han penetrado el cegador brillo del Sol y han encontrado un torbellino de agitación impredecible. Las llamaradas solares explotan con la energía de mil millones de bombas atómicas. Nubes de gas magnetizado (eyecciones de masa coronal o CMEs, por su sigla en idioma inglés) lo suficientemente grandes como para tragar planetas se separan de la superficie estelar. Agujeros en la atmósfera del Sol arrojan ráfagas de viento solar que se mueven a millones de kilómetros por hora.

Y esas son las cosas que pueden ocurrir en un mismo día.

A lo largo de prolongados períodos (que abarcan desde décadas hasta siglos), la actividad solar aumenta y disminuye con un ritmo complejo que los investigadores aún están tratando de entender. El "latido" más famoso es el ciclo de manchas solares de 11 años, descripto en muchos textos como un proceso regular y preciso. De hecho, parece tener mente propia.

"Ni siquiera es 11 años", dice Guhathakurtha. "El ciclo varía de 9 a 12 años. Algunos ciclos son intensos, con muchas manchas y llamaradas solares; otros son moderados, con relativamente poca actividad solar. En el siglo XVII, durante el período llamado 'Mínimo de Maunder', el ciclo pareció detenerse por completo durante aproximadamente 70 años y nadie sabe por qué".

Sin embargo, no hay necesidad de ir tan atrás en el tiempo para encontrar un ejemplo de la impredecibilidad del ciclo. En este momento, el Sol está saliendo de un mínimo solar del tipo del que no se ve en más de un siglo y que casi nadie anticipó.

"La profundidad del mínimo solar en 2008-2009 realmente nos tomó por sorpresa", dice el experto en manchas solares David Hathaway, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, ubicado en Huntsville, Alabama. "Eso remarca cuán lejos estamos aún de predecir la actividad solar".

ver imagen Eso es un problema, porque la sociedad humana es cada vez más vulnerable a los incrementos de la actividad solar. La gente moderna depende de una red de sistemas de alta tecnología interconectados para realizar actividades básicas de todos los días. Redes de energía inteligentes, navegación por GPS (Global Positioning System, en idioma inglés, o Sistema de Posicionamiento Global, en idioma español), viajes aéreos, servicios financieros, comunicaciones de emergencia por radio... todos ellos pueden verse afectados por una intensa actividad solar. Según un estudio llevado a cabo en 2008 por la Academia Nacional de Ciencias (National Academy of Sciences, en idioma inglés), una tormenta solar, de las que se ven una vez en un siglo, podría causar veinte veces más daño económico que el huracán Katrina.

Derecha: Áreas de Estados Unidos que son vulnerables al colapso de los sistemas eléctricos como respuesta a una tormenta geomagnética extrema. Fuente: Academia Nacional de Ciencias. [Más información]

"Entender la variabilidad solar es crucial", dice la científica del espacio Judith Lean, del Laboratorio de Investigación Naval (Naval Research Lab, en idioma inglés), ubicado en Washington DC. "Nuestro modo de vida moderno depende de eso".

Y aquí entra en escena el Observatorio de Dinámica Solar (Solar Dynamics Observatory, en idioma inglés) o —"SDO" para abreviar—, cuyo lanzamiento está programado para el 9 de febrero de 2010, desde el Centro Espacial Kennedy (Kennedy Space Center, en idioma inglés), ubicado en Florida.

El SDO está diseñado para explorar la variabilidad solar de una manera diferente a cualquier otra misión en la historia de la NASA. Observará al Sol más rápido, con mayor profundidad y con mayor detalle que anteriores observatorios, rompiendo las barreras de tiempo y nitidez que han bloqueado durante mucho tiempo el progreso de la física solar.

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Arriba: Estos campos magnéticos de las manchas solares están a punto de estallar. El SDO tomará imágenes como esta, sólo que mucho mejores, con una resolución 10 veces mejor que la HD, suficientemente nítidas y grandes como para llenar una pantalla IMAX. [Ver película]

Guhathakurta cree que "el SDO va a revolucionar nuestra visión del Sol".

La revolución comienza con la fotografía de alta velocidad. El SDO capturará imágenes del Sol con calidad IMAX, cada 10 segundos, usando un banco de telescopios de múltiples longitudes de onda llamado Generador de Imágenes Atmósfericas (Atmospheric Imaging Assembly, en idioma inglés, ó AIA para abreviar). A modo de comparación, observatorios anteriores han tomado imágenes cada pocos minutos, en el mejor de los casos, con resoluciones como las que se ven en internet, no en un cine. Los investigadores creen que la rapidez del SDO para tomar fotografías podría tener el mismo efecto transformador en la física solar que la invención de la fotografía de alta velocidad tuvo en muchas ciencias, en el siglo XIX.

El SDO no se detiene en la superficie estelar. El Generador de Imágenes Magnéticas y Heliosísmicas (Helioseismic Magnetic Imager, ó HMI, en idioma inglés) del SDO, de hecho, puede mirar la dínamo solar en el interior del Sol.

ver película La dínamo solar es una red de profundas corrientes de plasma que generan el enredado y, a veces, explosivo campo magnético del Sol. Regula todas las formas de actividad solar, desde las rapidísimas erupciones de llamaradas solares hasta las ondulaciones del ciclo de manchas solares en escalas de décadas.

Derecha: Concepto artístico de la dínamo solar. Película #1, #2, #3.

"Entender cómo funciona la dínamo solar ha sido, durante mucho tiempo, el 'santo grial' de la física solar", dice Dean Pesnell, del Centro Goddard para Vuelos Espaciales (Goddard Space Flight Center, en idioma inglés), ubicado en Greenbelt, Maryland. "El HMI podría finalmente entregárnoslo".

La dínamo está oculta de nuestra vista por aproximadamente 225.000 kilómetros (140.000 millas) de gas caliente que lo cubre. El SDO penetra el velo usando una técnica familiar para los geólogos: la sismología. Así como los geólogos examinan el interior de la Tierra usando las ondas generadas en los terremotos, los físicos solares pueden examinar el interior del Sol usando ondas acústicas producidas por la propia turbulencia solar, que hierve. El HMI detecta las ondas, las cuales son transformadas por los investigadores en la Tierra en imágenes bastante nítidas.

"Es bastante parecido al ultrasonido que se le practica a una mujer embarazada", explica Pesnell. "Podemos ver 'al bebé' a través de la piel".


Nota de recuadro: 'Constante Solar' es un oxímoron

Hubo un tiempo en el cual los astrónomos estaban tan convencidos de la constancia del Sol, que llamaron a la irradiancia solar "la constante solar", y se encaminaron a medirla como lo harían con cualquier constante de la naturaleza. Por definición, la constante solar es la cantidad de energía solar depositada en la capa superior de la atmósfera de la Tierra en unidades de watt por metro cuadrado. Todas las longitudes de onda de radiación están incluidas (radio, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X, etc.). El valor aproximado de la constante solar es 1361 W/m2.

Las nubes, la absorción atmosférica y otros factores complican las mediciones desde la superficie de la Tierra, así que la NASA ha llevado los dispositivos de medición al espacio. Hoy VIRGO, ACRIM y SORCE están haciendo mediciones con precisiones que se aproximan a 10 partes por millón por año. Futuros instrumentos programados para volar en las naves espaciales Glory, de la NASA, y NPOESS, de la NOAA, esperan alcanzar precisiones aún más altas.

Para la sorpresa de muchos investigadores, la constante solar ha resultado ser no constante.

"La 'constante solar' es un oxímoron", dice Judith Lean, del Laboratorio de Investigación Naval. "Los datos proporcionados por satélites muestran que la irradiancia total del Sol crece y disminuye significativamente con el ciclo de manchas solares".

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Derecha: Mediciones de la misión SORCE indican que la variabilidad de la irradiancia total del Sol ha decrecido en los últimos seis años. [Imagen ampliada] [Ver película]

En el máximo solar, el Sol es cerca del 0,1% más brillante que en el mínimo solar. Eso puede sonar como que no es mucho, pero considere lo siguiente: un cambio del 0,1% en 1361 W/m2 es igual que 1,4 Watts/m2. Si se promedia este número en relación con la Tierra esférica y se corrige para la reflectividad de la Tierra, se obtienen 0,24 Watts por cada metro cuadrado de nuestro planeta.

"Si se suma todo, se obtendrá una gran cantidad de energía", dice Lean. "Cómo es que esto podría afectar al tiempo y al clima es materia de un (a veces apasionado) debate".

Debido a que el SDO se especializa en longitudes de onda del ultravioleta extremo, no realizará mediciones directas de la irradiancia solar total, la cual requiere sensibilidad a lo largo de todo el espectro electromagnético. No obstante, una combinación de datos proporcionados por el SDO y por otras naves espaciales podría arrojar luz sobre este importante tema; y quizás también podría revelar otros oxímoron.


SDO: La misión del "Sol variable" (Continuación)

Finalmente (y lo que es de la mayor relevancia para la Tierra), el SDO observará al Sol en longitudes de onda donde el Sol es más variable, en el ultravioleta extremo (UVE). Los fotones en el UVE son los primos de alta energía de los rayos UV (ultravioletas) que causan quemaduras de sol. Afortunadamente, nuestra atmósfera bloquea los rayos solares en el UVE; de otra manera, un día en la playa podría ser fatal. En el espacio, la emisión de rayos solares en el UVE es fácil de detectar y podría decirse que es el indicador más sensible de la actividad del Sol.

"Si los ojos humanos pudieran ver las longitudes de onda en el UVE, nadie dudaría de que el Sol es una estrella variable", dice Tom Woods, de la Universidad de Colorado, en Boulder.

Haga clic para ver la películaDurante una llamarada solar, la producción de radiación en el ultravioleta extremo del Sol puede variar por factores de cientos a miles en cuestión de segundos. Los aumentos en la cantidad de fotones en el UVE calientan la atmósfera superior de la Tierra, provocando de este modo que la atmósfera se "infle" y arrastre hacia la Tierra a los satélites ubicados en órbitas bajas. Los rayos en el UVE también rompen átomos y moléculas y crean así una capa de iones en la atmósfera superior que puede perturbar seriamente las señales de radio. De acuerdo con la opinión de Judith Lean, "el UVE controla el medio ambiente de la Tierra en toda la atmósfera arriba de los 100 km, aproximadamente".

"En el UVE es donde está la acción", concuerda Woods.

Es por ello que Woods y sus colegas construyeron un sensor del ultravioleta extremo para el SDO, llamado Experimento de Variabilidad del UVE (EUV Variability Experiment ó "EVE", en idioma inglés). "El EVE nos da la más alta resolución temporal (10 seg) y la mayor resolución espectral (<>

Woods espera que EVE revele con qué velocidad puede cambiar el Sol ("realmente no lo sabemos", apunta) y que sorprenda a los astrónomos con el tamaño de los estallidos.

EVE, AIA, HMI. Durante los próximos cinco años, el Observatorio de Dinámica Solar usará estos instrumentos con el fin de definir nuevamente a nuestra estrella y su potencial de variabilidad. ¿Qué ideas no ortodoxas nos enviarán? ¡Viejas enseñanzas, tengan cuidado!

domingo, 7 de febrero de 2010

Cacería de planetas extrasolares

El telescopio espacial Webb permitirá estudiar de cerca las

recién descubiertas "super Tierras"; planetas que son más

grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno.


Enero 14, 2010: El Telescopio Espacial James Webb, principal observatorio de la próxima década, será lanzado en 2014 con el objetivo de practicar la "caza mayor"; es decir, buscar las primeras estrellas y galaxias que se formaron en el universo. No obstante, la "caza menor" podrían resultar ser igualmente interesante. Los astrónomos han comenzando a darse cuenta de que el telescopio infrarrojo más grande del mundo será también un astuto cazador de planetas que circundan estrellas lejanas.

ver leyenda"El telescopio Webb fue concebido inicialmente para buscar las primeras galaxias y abordar los grandes interrogantes de carácter cosmológico asociados con ellas, pero ahora sabemos que también podrá hacer importantes contribuciones a la cacería de planetas", dice Mark Clampin, del Centro Goddard para Vuelos Espaciales, de la NASA. "Los exoplanetas son extremadamente emocionantes. El campo cambia, literalmente, día a día. No hace mucho, ofrecí una charla sobre el tema de los exoplanetas y, en el intervalo de tiempo entre escribir mis notas y dar la charla, ¡los astrónomos habían anunciado 30 planetas nuevos!"

Derecha: Concepto artístico de un exoplaneta. Crédito de la imagen: ESO. [Más información]

El telescopio Webb es el instrumento por excelencia para llevar a cabo estudios de seguimiento detallados y de alta precisión de estos nuevos planetas que otros telescopios han hecho salir de su escondite. Son planetas escurridizos; se esconden en el resplandor de sus propios "soles".

"Es como tratar de encontrar el destello de una luciérnaga en el haz de luz de un faro", dice Jonathan Gardner, quien es el investigador principal adjunto del Proyecto Webb, en el centro Goddard. "¡Pero hay maneras de hacerlo!"

Una de ellas es la llamada "ciencia de tránsito", la cual consiste en estudiar la luz que llega desde una estrella cuando un planeta se encuentra pasando justo frente a ella.

"El telescopio Webb medirá la totalidad de la luz emitida por la estrella, para luego medir la cantidad de luz emitida cuando el planeta cruza frente a ella", explica Gardner. "Este telescopio puede, incluso, detectar cambios en la luminosidad, los cuales se producen cuando el planeta pasa detrás de la estrella. Junto con mediciones Doppler adquiridas mediante estudios llevados a cabo en la Tierra, toda esta información nos ayuda a determinar la masa y el radio del planeta, para que luego los astrónomos puedan comenzar a pensar en la composición del mismo".

Abajo: El tamaño es una de las ventajas clave durante la cacería de planetas, y Webb es un telescopio verdaderamente enorme. A la izquierda, vemos el espejo del telescopio Webb comparado con el del Hubble y, a la derecha, se muestra un modelo en tamaño real del telescopio Webb colocado sobre terreno del Centro Goddard para Vuelos Espaciales, ubicado en Maryland. [Imagen ampliada]

ver leyenda

"Durante el tránsito, también podemos hacer espectroscopía", continúa Gardner. "Tomamos una medida del espectro de luz de la estrella antes de que ocurra el tránsito, y lo hacemos de nuevo mientras la luz estelar se filtra a través de la atmósfera del planeta durante el tránsito".

La luz de la estrella va cambiando a medida que pasa a través de la atmósfera del planeta.

"Comparando los dos espectros de la estrella (durante y después del tránsito), podemos extraer el espectro del planeta, y de este modo podemos aprender sobre su atmósfera", dice Clampin. "Para poder utilizar los elementos del espectro con el fin de identificar características específicas, debemos recoger muchísima luz infrarroja (mil millones o más fotones). El telescopio Webb es perfecto para este tipo de estudio".

El área enorme que tiene el telescopio para recolectar la luz, de aproximadamente 25 m2, logra acumular la cantidad necesaria de fotones. Y como el telescopio Webb será mantenido a temperaturas extremadamente frías, gracias a sus enormes parasoles y a su ubicación en el punto de Lagrange L2, no habrá peligro de que fuentes externas de calor contaminen las señales que reciba del cosmos.

Derecha: El método de tránsito utilizado por el telescopio Webb no sólo permitirá el hallazgo de planetas, sino también la construcción de mapas de manchas estelares. [Imagen ampliada]

"Estamos encantados con la ciencia que nos permite hacer el telescopio Hubble, pero necesitamos un trasfondo térmico bajo para poder observar los objetos infrarrojos tenues que queremos ver", dice Clampin. "Y, como el Hubble no es un telescopio muy frío, pasado cierto punto comienza a mirar su propia huella térmica".

"El Webb nos mostrará el aspecto que tiene el 'zoológico de exoplanetas'. Este telescopio será útil para observar y tomar el espectro de los planetas gigantes gaseosos, y además nos permitirá recoger datos espectrales de planetas más pequeños, del tamaño de Neptuno aproximadamente. Nuestro telescopio también nos dará la posibilidad de estudiar de cerca las recién descubiertas 'súper Tierras' (planetas que son más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno)".

Webb podrá hallar, incluso, planetas por su propia cuenta. "Utilizando una técnica llamada coronografía, el telescopio Webb buscará gigantes planetas gaseosos", dice Gardner. "La luz de una estrella es tan brillante que sobrepasa el brillo de cualquier planeta cercano por entre un millón y mil millones de veces a uno; no obstante, en el interior de tres de las cuatro cámaras del telescopio Webb hay un punto oscuro a través del cual la luz no puede pasar. Colocaremos la estrella detrás del punto oscuro de modo tal que podamos ver el planeta ubicado al lado de la estrella. Es como cuando un automóvil se desplaza en nuestra dirección, en plena noche, con sus luces altas encendidas, y utilizamos la mano para bloquear el rayo de luz y así poder ver la carretera".

"Nuestra meta final es buscar evidencia química de vida en algunos de estos planetas nuevos. Aunque todavía no estamos muy seguros de cuán bien podremos hacerlo".

"¿Podrá el telescopio Webb encontrar señales de vida en un planeta parecido a la Tierra?", pregunta Clampin. "La respuesta es, probablemente no. Un verdadero gemelo de la Tierra sería demasiado pequeño como para emitir suficiente luz infrarroja desde su atmófera de modo tal que el Webb pueda recogerla".

"Sin embargo, cada vez que los científicos realizan comentarios de este tipo, alguien termina probando que están equivocados. La ciencia de tránsito está cambiando tan rápidamente que es difícil señalar con exactitud qué maravillas se descubrirán mediante la cacería del telescopio Webb".