¿Puede existir un lugar en el que la temperatura aumenta de 6.000 grados a 1.000.000 a medida que te alejas de la superficie? ¿En el que hay nubes pesadas más grandes que la Tierra que entran en oscilación debido a explosiones cercanas? ¿O arcos magnéticos de 100.000 km de longitud que vibran como gigantescas cuerdas de guitarra curvadas? ¿Chorros de gas de 5.000 km de longitud que solo viven unos pocos minutos? ¿O gotas de lluvia de hasta 1.000 km de diámetro que alcanzan velocidades de caída de más de 100 km/s? No es ciencia ficción: bienvenidos a la atmósfera del Sol.

La atmosfera solar es un entorno fascinante, pero del que aún nos falta mucho por saber. Este proyecto de investigación, financiado por la Agencia Española de Investigación (AEI) y realizado por dos de los mayores expertos en este campo, utiliza simulaciones numéricas avanzadas para conocer más a fondo algunas de sus características, como el calentamiento cromosférico y coronal o las oscilaciones de protuberancias solares.

El misterio del calentamiento coronal

El problema del calentamiento coronal reside en nuestro desconocimiento acerca de qué mecanismos son los responsables del brusco aumento de temperatura que tiene lugar encima de la cromosfera (figura 1). Este proyecto simulará el inicio y desarrollo de la turbulencia en los bucles coronales (figura 2). En estos modelos, esta turbulencia se induce mediante la evolución no lineal de ondas de Alfvén, un tipo de onda magnetohidrodinámica que se ha observado en el plasma solar. Este tipo de estudios mediante simulaciones numéricas tridimensionales es un campo mayormente inexplorado hasta ahora debido a su complejidad y elevado coste computacional.

Los investigadores utilizarán un código numérico open source que incorpora el método de malla adaptativa, novedoso en este tipo de estudios y que les permite resolver con detalle las múltiples escalas espaciales que aparecen durante el desarrollo de la turbulencia. Es especialmente importante, porque los procesos físicos involucrados en el calentamiento del plasma sólo son eficientes en escalas espaciales muy pequeñas, incluso menores que las que actualmente podemos observar mediante los telescopios más avanzados. La turbulencia, una vez desarrollada, proporciona un camino directo para que la energía fluya rápidamente hacia estas escalas en que la disipación tiene lugar. Un objetivo importante del proyecto es demostrar que la generación de turbulencias mediante la evolución no lineal de ondas magnetohidrodinámicas es un proceso que ocurre de manera natural en la atmósfera del Sol y juega un papel fundamental en su calentamiento.

Reconocer el mecanismo físico que transforma la energía de las ondas en calor

Además, gracias a esta investigación, se espera entender mejor cómo la corona del Sol se calienta a través de ondas generadas en las capas inferiores más densas. Existen dos cuestiones básicas en relación con este problema. En primer lugar, si las ondas transportan energía suficiente para mantener el plasma coronal a temperatura elevada; y, en segundo lugar y más importante, cuál es el mecanismo físico que transforma la energía de las ondas en calor. Esta última cuestión es el objetivo fundamental del proyecto.

En concreto, hay indicios de que la presencia de capas de plasma muy denso por debajo de la corona en estado mixto puede llegar a producir la liberación de energía requerida para calentar la corona solar. Entender la física del plasma en condiciones solares es, por tanto, la clave para avanzar en este problema. Y, más allá del impacto en el ámbito puramente astrofísico, la comprensión del fenómeno de la turbulencia y su control en plasmas magnetizados tiene también importantes implicaciones para el diseño de reactores de fusión nuclear y el logro del confinamiento estable y duradero del plasma caliente en tales dispositivos.

Por lo que respecta a las protuberancias solares, pese a que su existencia se conoce desde el siglo XIX, sus propiedades físicas siguen siendo una incógnita (figura 3). No se conocen los procesos que conducen a su formación ni el porqué de su estructura o por qué desaparecen. Sí sabemos que algunos fenómenos energéticos como las fulguraciones (explosiones) impactan en las protuberancias y hacen que estas oscilen. Oscilaciones comunes en el Sol y que permiten obtener información de la estructura y las propiedades de las protuberancias, difíciles de adquirir por medios directos. Las simulaciones numéricas de este estudio reproducirán de forma realista la interacción de las ondas de choque que emanan de las fulguraciones o de los chorros de plasma con las protuberancias solares. Este enfoque sismológico, utilizado en otras disciplinas, permitirá determinar algunos de sus parámetros físicos fundamentales.

Además, a través de este estudio se pretende entender la evolución de estas oscilaciones durante el ciclo solar de 11 años, para lo que es necesario analizar los datos solares de las últimas décadas. Los investigadores usarán técnicas de Big Data para crear una herramienta que les permita detectar y parametrizar las oscilaciones en protuberancias durante varios ciclos solares. También podrán estudiar cómo el estrés magnético se acumula en las protuberancias, aumentando su probabilidad de erupción.

En definitiva, los resultados de este proyecto supondrán un avance significativo en el conocimiento de la atmósfera solar con amplias aplicaciones en el futuro.