Mucho, mucho más allá de las órbitas de
los planetas se encuentran los contornos borrosos de la burbuja
magnética en el espacio que llamamos hogar.
Esta es la heliosfera, la gran burbuja
que genera el campo magnético del Sol y envuelve a todos los planetas.
Los bordes de esta burbuja cósmica no son fijos. En respuesta a las
bocanadas y suspiros del Sol, se encogen y se estiran con los años.
Ahora, por primera vez, los científicos
han utilizado un ciclo solar completo de datos de la nave espacial IBEX
de la NASA para estudiar cómo cambia la heliosfera con el tiempo. Los
ciclos solares duran aproximadamente 11 años, a medida que el Sol cambia
de temporadas de actividad alta a baja, y vuelve a la alta nuevamente.
Con el largo historial de IBEX, los científicos estaban ansiosos por
examinar cómo se desarrollan los cambios de humor del Sol en el borde de
la heliosfera. Los resultados muestran la heliosfera externa cambiante
con gran detalle, dibujan hábilmente la forma de la heliosfera (un tema
de debate en los últimos años) y dan pistas sobre los procesos detrás de
una de sus características más desconcertantes. Estos hallazgos, junto
con un conjunto de datos recién ajustados, se publican en The
Astrophysical Journal Supplements el 10 de junio de 2020.
IBEX ha estado observando el límite del
espacio interestelar durante más de 11 años, mostrándonos dónde encaja
nuestro vecindario cósmico con el resto de la galaxia. "Es una misión
muy pequeña", dijo David McComas, el investigador principal de la misión
en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. IBEX es tan grande como
un neumático de autobús. "Ha sido enormemente exitoso, durando mucho
más de lo que nadie había previsto. Ahora tenemos la suerte de tener
todo un ciclo solar de observaciones".
La heliosfera se llena con el viento
solar, el flujo constante de partículas cargadas del Sol. El viento
solar se precipita en todas las direcciones, a un millón de millas por
hora, hasta que choca contra el medio interestelar, vientos de otras
estrellas que llenan el espacio entre ellos.
A medida que el Sol atraviesa el medio
interestelar, genera una ola caliente y densa, muy parecida a la ola en
la parte delantera de un barco que atraviesa el mar. Nuestro vecindario
cósmico se llama
Nube Interestelar Local o Local Fluff, por la nube de
gases supercalientes que florece a nuestro alrededor. Donde el viento
solar y la nube local se unen forma el borde de la heliosfera, llamada
heliopausa. Justo dentro de eso se encuentra una región turbulenta
llamada heliofunda.
Las partículas llamadas átomos neutros
energéticos, o ENAs, que se forman en esta región distante del espacio
son el foco de los estudios de IBEX. Se crean cuando partículas
calientes y cargadas como las del viento solar chocan con neutros fríos
como los que fluyen desde el espacio interestelar.
Las partículas del
viento solar pueden atrapar electrones de los átomos interestelares
pesados, volviéndose neutros.
El viaje de estas partículas comienza
mucho antes de que IBEX las detecte. Más allá de los planetas, más allá
del cinturón de asteroides y el Cinturón de Kuiper, hasta el borde de la
heliosfera, la ráfaga de viento solar tarda aproximadamente un año en
correr 100 veces la distancia entre el Sol y la Tierra.
En el camino, el
viento solar recoge átomos ionizados de gases interestelares que se han
introducido en la heliosfera. El viento solar que llega al borde no es
el mismo viento que dejó el Sol un año antes.
Las partículas del viento solar podrían
pasar otros seis meses deambulando por el caos de heliofunda, el abismo
entre los dos límites exteriores de la heliosfera. Inevitablemente,
algunos chocan con gases interestelares y se convierten en neutros
energéticos. Las partículas neutras tardan cerca de otro año en el viaje
de regreso, atravesando el espacio desde el borde de la heliosfera para
llegar a IBEX, si las partículas se dirigían precisamente en la
dirección correcta. De todas las partículas neutras formadas, solo unas
pocas llegan a IBEX. El viaje completo dura de dos a tres años para las
partículas de mayor energía en el rango de observación de IBEX, y aún
más en energías más bajas o regiones más distantes.
IBEX aprovecha el hecho de que los
átomos neutros como estos no son desviados por el campo magnético del
Sol: partículas neutras frescas unidas lejos de las colisiones en casi
una línea recta.
IBEX examina los cielos en busca de
partículas, observando su dirección y energía. La nave espacial solo
detecta aproximadamente uno cada dos segundos. El resultado es un mapa
del límite interestelar, elaborado a partir del mismo principio que
utiliza un murciélago para ecolocalizarse a lo largo de la noche:
monitorear una señal entrante para aprender más sobre los alrededores.
Al estudiar de dónde provienen los neutros y cuándo, IBEX puede rastrear
los límites remotos de nuestra heliosfera.
"Somos muy afortunados de observar esto
desde el interior de la heliosfera", dijo Justyna Sokol, científica
visitante del equipo de Princeton. “Estos son procesos que ocurren a
distancias muy pequeñas. Cuando observas otras estrellas que están muy
lejos, observas distancias de años luz, desde fuera de sus astrosferas".
Incluso la distancia entre el Sol y la punta de la heliosfera es
pequeña en comparación con muchos, muchos años luz.
Utilizando los datos de más de 11 años
de IBEX, McComas y su equipo pudieron estudiar los cambios que
evolucionan con el tiempo y son clave para comprender nuestro lugar en
el espacio.
El viento solar es constante, pero el
viento no es estable. Cuando el viento sopla, la heliosfera se infla
como un globo, y las partículas neutrales surgen en las franjas
exteriores. Cuando el viento se calma, el globo se contrae; las
partículas neutras disminuyen. La consiguiente oscilación de partículas
neutras, informaron los científicos, se hizo eco constantemente de dos a
tres años después de los cambios en el viento, lo que refleja su viaje
hacia el borde de esta burbuja y de regreso.
De 2009 a 2014, el viento soplaba
bastante bajo y constante, una brisa suave. La heliosfera se contrajo.
Luego llegó una sorpresa en el viento solar, como si el Sol lanzara un
gran suspiro. A finales de 2014, una nave espacial de la NASA en órbita
alrededor de la Tierra detectó el aumento de la presión del viento solar
en aproximadamente un 50% (desde entonces se ha mantenido alto durante
varios años).
Dos años más tarde, el viento solar
ondulante provocó una ráfaga de partículas neutras en la heliofunda.
Otros dos años después, llenaron la mayor parte de la punta de la
heliosfera. Finalmente, se alzaron sobre los polos norte y sur de la
heliosfera.
Estos cambios no fueron simétricos. Cada
golpe observado trazó las peculiaridades de la forma de la heliosfera.
Los científicos se sorprendieron de cuán claramente vieron la marea del
viento solar empujando la heliopausa.
"El tiempo y las partículas neutrales
realmente han pintado las distancias en la forma de la heliosfera para
nosotros", dijo McComas.
IBEX todavía no ha observado los efectos
de este golpe cósmico desde el extremo posterior de la heliosfera, la
heliocola. Eso significa que el extremo de la cola está mucho más lejos
del Sol que el frente; esas partículas están en un viaje mucho más
largo. Tal vez la marejada eólica solar todavía se precipita hacia la
cola, o tal vez las partículas neutras ya están regresando. En los
próximos años, el equipo de IBEX estará atento a las señales de su
regreso de la cola.
"La naturaleza creó este experimento
perfecto para que entendamos mejor este límite", dijo Szalay.
"Tenemos
que ver qué sucede cuando esta gran cosa, el impulso del viento solar,
cambie".
En general, esto pinta una imagen de la
heliosfera con forma de cometa. La forma de la heliosfera ha sido un
tema de debate en los últimos años. Algunos han argumentado que nuestra
burbuja en el espacio es esférica como un globo; otros sugirieron que
está más cerca de un cruasán. Pero en este estudio, dijo McComas, los
datos del IBEX muestran claramente que la respuesta de la heliosfera al
impulso del viento solar fue asimétrica, por lo que la propia heliosfera
también debe ser asimétrica.
El Sol está situado cerca del frente, y
cuando el Sol se precipita por el espacio, la heliocola se arrastra
mucho más atrás, algo así como la cola rayada de un cometa.
Los muchos años de datos de IBEX también
han acercado a los científicos a una explicación de una de las
características más desconcertantes de la heliosfera, conocida como la
franja IBEX. La franja sigue siendo uno de los mayores descubrimientos
de IBEX. Anunciado en 2009, se refiere a una vasta franja diagonal de
neutros energéticos, pintados en el frente de la heliosfera. Hace mucho
que los científicos están desconcertados: ¿por qué una parte del límite
debería ser tan diferente del resto?
Con el tiempo, IBEX ha indicado que lo
que forma la franja es muy diferente de lo que forma el resto del cielo
interestelar. Está conformada por la dirección del campo magnético
interestelar. Pero, ¿cómo se producen las partículas de la franja?
Ahora, los científicos informan que es muy probable que un proceso
secundario sea responsable, lo que hace que el viaje de un cierto grupo
de partículas energéticas neutras se duplique aproximadamente.
Después de convertirse en neutrales
energéticos, en lugar de rebotar hacia IBEX, este grupo de partículas
salen disparadas en dirección opuesta, a través de la heliopausa y hacia
el espacio interestelar. Allí, se toparían con la Nube Interestelar
Local, navegando hasta que algunos chocaran inevitablemente con
partículas cargadas que pasaran, perdiendo un electrón una vez más y
quedando atados al campo magnético circundante.
Pasan otros dos años más o menos, y las
partículas cargadas pueden chocar una vez más con pares más lentos,
robando electrones como lo han hecho antes. Después de esta breve
migración más allá de la heliosfera, los neutrales energéticos nacidos
dos veces podrían eventualmente volver a entrar y regresar a casa.
Los datos extendidos de IBEX ayudaron a
los científicos a conectar la franja con el largo recorrido interestelar
de las partículas. Las partículas que forman la franja han viajado unos
dos años más que el resto de las partículas neutras observadas. Cuando
se trataba del pico del viento solar, la franja tardó otros dos años
después del resto de la heliosfera para comenzar a responder.
Superando por mucho su misión inicial de
dos años, IBEX pronto se unirá a otra misión de la NASA,
IMAP, para la
cual McComas también sirve como investigador principal. El lanzamiento
de la misión está programado para fines de 2024.
"IMAP presenta una oportunidad perfecta para estudiar, con gran resolución y sensibilidad lo que IBEX ha comenzado a mostrarnos, para que realmente obtengamos una comprensión detallada de la física", dijo McComa
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