Por qué el viento solar está más caliente de lo esperado

Cuando se abre un extintor de incendios, el dióxido de carbono comprimido forma cristales de hielo alrededor de la boquilla, proporcionando un ejemplo visual del principio físico de que los gases y los plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro Sol expulsa el plasma en forma de viento solar, este también se enfría a medida que se expande por el espacio, pero no tanto como las leyes de la física podrían predecir.

En un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison proporcionan una explicación para la discrepancia en la temperatura del viento solar. Sus hallazgos sugieren formas de estudiar los fenómenos del viento solar en laboratorios de investigación y aprender sobre las propiedades de este en otros sistemas estelares.

«La gente ha estado estudiando el viento solar desde su descubrimiento en 1959, pero hay muchas propiedades importantes de este plasma que todavía no se comprenden bien«, dice Stas Boldyrev, profesor de física y autor principal del estudio. «Inicialmente, los investigadores pensaron que el viento solar tiene que enfriarse muy rápidamente a medida que se expande desde el Sol, pero las mediciones de los satélites muestran que a medida que llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Por lo tanto, una pregunta fundamental es: ¿Por qué no se enfría?»

El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a esta carga, el plasma solar se ve influenciado por campos magnéticos que se extienden hacia el espacio, generados bajo la superficie solar. A medida que el plasma caliente escapa de la atmósfera más exterior del Sol, su corona, fluye a través del espacio como viento solar. Los electrones en el plasma son partículas mucho más ligeras que los iones, por lo que se mueven unas 40 veces más rápido.

Con más electrones cargados negativamente alejándose, el Sol adopta una carga positiva. Esto hace que sea más difícil para los electrones escapar de la atracción solar. Algunos electrones tienen mucha energía y siguen viajando por distancias infinitas. Los que tienen menos energía no pueden escapar de la carga positiva del Sol y son atraídos de vuelta a él. Al hacerlo, algunos de esos electrones pueden ser desviados de su camino muy ligeramente por colisiones con el plasma circundante.

En un esfuerzo por explicar las observaciones de la temperatura en el viento solar, Boldyrev y sus colegas, los profesores de física de la UW-Madison, Cary Forest y Jan Egedal, buscaron en un campo relacionado, pero distinto, de la física del plasma una posible explicación.

En la época en que los científicos descubrieron el viento solar, los investigadores del plasma de la fusión nuclear estaban pensando en formas de confinarlo. Desarrollaron «máquinas de espejos», o líneas de campo magnético llenas de plasma en forma de tubos con extremos apretados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.

A medida que las partículas cargadas en el plasma viajan a lo largo de las líneas de campo, llegan al cuello de la botella y las líneas de campo magnético se ven “pellizcadas”. El “pellizco” actúa como un espejo, reflejando las partículas de vuelta a la máquina.

«Pero algunas partículas pueden escapar, y cuando lo hacen, fluyen a lo largo de líneas de campo magnético en expansión fuera de la botella. Debido a que los físicos quieren mantener este plasma muy caliente, quieren averiguar cómo la temperatura de los electrones que escapan de la botella disminuye fuera de esta abertura», dice Boldyrev. «Es muy similar a lo que sucede en el viento solar que se expande lejos del sol».

Boldyrev y sus colegas pensaron que podían aplicar la misma teoría de las máquinas de espejos al viento solar, observando las diferencias entre las partículas atrapadas y las que escapan. En los estudios de las máquinas de espejos, los físicos encontraron que los electrones muy calientes que escapaban de la botella eran capaces de distribuir su energía calórica lentamente a los electrones atrapados.

«En el viento solar, los electrones calientes fluyen desde el Sol a distancias muy grandes, perdiendo su energía muy lentamente y distribuyéndola a la población atrapada», dice Boldyrev. «Resulta que nuestros resultados concuerdan muy bien con las mediciones del perfil de temperatura del viento solar y pueden explicar por qué la temperatura de los electrones disminuye con la distancia tan lentamente», dice Boldyrev.

La precisión con la que la teoría de las máquinas de espejos predice la temperatura del viento solar abre la puerta para usarlas para estudiar el viento solar en el laboratorio.

«Tal vez incluso encontremos algunos fenómenos interesantes en esos experimentos que los científicos espaciales tratarán de buscar en el viento solar», dice Boldyrev. «Siempre es divertido cuando empiezas a hacer algo nuevo. No sabes qué sorpresas te vas a llevar». (Fuente: NCYT Amazings