El descubrimiento permite inferir con más fiabilidad los campos magnéticos en la cromosfera y en la corona del Sol

Las variaciones en la geometría de los campos magnéticos que confinan el plasma de las gigantescas protuberancias solares suelen desencadenar impresionantes erupciones de masa coronal que en ocasiones afectan a la Tierra

La revista Nature publica mañana estos resultados

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Los investigadores del IAC Javier Trujillo-Bueno (Científico del Consejo Superior de Investigaciones Científicas), Manuel Collados y Laura Merenda, en colaboración con Egidio Landi Degl'Innocenti y Rafael Manso Sainz, de la Universidad de Florencia, han descubierto un mecanismo que produce importantes señales de polarización lineal en la luz que recibimos de regiones de la atmósfera solar donde el campo magnético es débil. (La luz no sólo se caracteriza por su intensidad para cada longitud de onda, sino además

por su estado de polarización, el cual está definido por la orientación del vector campo eléctrico de la onda electromagnética en el plano perpendicular a la dirección de propagación).

"Se trata de un mecanismo físico -explica Javier Trujillo Bueno- que es muy difícil de estudiar en los laboratorios terrestres, pues requiere observar la luz parcialmente absorbida por un plasma de muy baja densidad pero de grandes dimensiones. Además, para que se produzca, los átomos del plasma en estudio tienen que estar iluminados de forma anisótropa, lo que acontece de forma natural en las regiones externas de las atmósferas estelares''.

La importancia del descubrimiento, que publica mañana jueves la revista Nature, radica en que permitirá investigar de un modo mucho más fiable los campos magnéticos en las regiones externas de la atmósfera del Sol (cromosfera y corona). El plasma solar es un gas muy caliente que está parcialmente ionizado, es decir, con muchos de sus átomos divididos en iones y electrones. Los campos magnéticos confinan el plasma de las protuberancias solares, las cuales son gigantescos arcos de plasma que se extienden cientos de miles de kilómetros por encima de la superficie visible del Sol. Ocasionalmente, cuando el campo magnético cambia la geometría de sus líneas de fuerza, se desencadenan impresionantes erupciones de masa que son enviadas al medio interplanetario. Si están dirigidas hacia la Tierra, donde llegan a los pocos días de tener lugar el evento explosivo en el Sol, pueden producir tormentas geomagnéticas y destruir los circuitos electrónicos en satélites, dañando las comunicaciones.

"Nuestro grupo -explica Javier Trujillo Bueno- lleva años desarrollando las técnicas de diagnóstico adecuadas para la exploración de los campos magnéticos en Astrofísica, y con particular interés en investigar el magnetismo solar. Gracias a la existencia de dos efectos físicos descubiertos previamente en los laboratorios terrestres (los efectos Zeeman y Hanle) podemos obtener información sobre campos magnéticos en el plasma de la atmósfera solar en un amplio rango de intensidades. Ambos efectos modifican el grado de polarización de la luz emitida por los átomos en cada punto".

Este trabajo ha requerido combinar estudios teóricos de Física Atómica y simulaciones numéricas junto con observaciones realizadas con un novedoso instrumento desarrollado en el IAC. "Dicho instrumento –comenta Manuel Collados- está basado en cristales líquidos ferroeléctricos y permite medir con gran precisión el estado de polarización de la luz entre 1 y 2 micras, aproximadamente. Actualmente estamos estudiando seriamente la posibilidades de construir polarímetros para futuros telescopios espaciales basados en esta tecnología".

"Nuestros trabajos -concluye Javier Trujillo Bueno- involucran una interesante y prometedora interacción entre astrofísica teórica, simulaciones numéricas con potentes computadoras, desarrollo instrumental y observaciones espectro-polarimétricas. Es así como esperamos que nuestras investigaciones en magnetismo solar y espectropolarimetría tengan también su impacto en otros campos de la Astrofísica, ya que es en el Sol (nuestra estrella más cercana) donde podemos estudiar con suficiente detalle los resultados de la compleja interacción de un fluido conductor con sus propios campos magnéticos".

TÍTULO DEL ARTÍCULO EN LA REVISTA NATURE:"Selective absorption processes as the origin of puzzling spectral line polarization from the Sun''

AUTORES:

J. Trujillo-Bueno (IAC y Consejo Superior de Investigaciones Científicas)

E. Landi Degl'Innocenti (Universidad de Florencia, Italia)

M. Collados (IAC)

L. Merenda (IAC y Universidad de Trento)

R. Manso Sainz (Universidad de Florencia y IAC)

TEXTO AMPLIADO

Los campos magnéticos desempeñan un papel fundamental en el Universo, desde el Sol hasta los núcleos activos de galaxias. Por ejemplo, ellos son los que permiten el confinamiento del plasma de las espectaculares protuberancias solares, las cuales se extienden cientos de miles de kilómetros en forma de arco por encima de la superficie visible del Sol (ver figura 1).

El plasma (gas parcialmente ionizado) de tales gigantescas estructuras embebidas en la corona solar es unas 100 veces más frío y más denso que el plasma coronal, el cual es extremadamente caliente (del orden de un millón de grados) y tenue (muchos órdenes de magnitud menos denso que el aire que respiramos al nivel del mar). Son los campos magnéticos que confinan el plasma de las protuberancias solares los que permiten su estabilidad (frente a la atracción gravitatoria del Sol) y su aislamiento térmico respecto del plasma coronal que le rodea.

Pero son también los campos magnéticos los que, al cambiar eventualmente la topología (o geometría) de sus líneas de fuerza magnética, ocasionan gigantescas erupciones de masa (del orden de diez mil millones de toneladas) que con velocidades de unos 400 kilómetros por segundo son enviadas al medio interplanetario. En promedio, el Sol produce cada día una de estas gigantescas erupciones de masa, las cuales suelen estar asociadas con protuberancias activas como la que muestra la figura 1. Cada pocos años encontramos que una de tales gigantescas erupciones de masa coronal resulta estar orientada hacia la Tierra, alcanzándola al cabo de sólo cuatro días de tener lugar el evento explosivo en el Sol, lo que suele producir tormentas geomagnéticas y la destrucción de los circuitos electrónicos en satélites en órbita alrededor de nuestro planeta.

La clave para obtener información empírica sobre la intensidad, topología y evolución temporal de los campos magnéticos en Astrofísica la constituye la observación y la interpretación física de la polarización de la luz.

La luz es radiación electromagnética. Y ésta no sólo se caracteriza por su intensidad para cada longitud de onda, sino además por su estado de polarización, el cual está relacionado con la orientación del vector campo eléctrico de la onda en el plano perpendicular a la dirección de propagación.

El problema es cómo medir con precisión e interpretar rigurosamente (en términos de la Física Atómica) las débiles señales de polarización en líneas espectrales que se producen por multitud de procesos de dispersión en un plasma magnetizado que se encuentra en condiciones físicas muy alejadas del equilibrio termodinámico local.

Los investigadores del IAC Javier Trujillo Bueno (Científico del Consejo Superior de Investigaciones Científicas), Manuel Collados y Laura Merenda, en colaboración con Egidio Landi Degl'Innocenti y Rafael Manso Sainz (Universidad de Florencia), publican en la revista Nature (volumen del 24 de enero de 2002) un descubrimiento que va a permitir investigar a partir de ahora de forma mucho más fiable los campos magnéticos del plasma de las regiones externas de la atmósfera solar (cromosfera y corona). En contra de lo que se pensaba previamente, esta investigación demuestra que en regiones del plasma de la atmósfera solar donde el campo magnético es débil se generan señales de polarización lineal inducidas por procesos de absorción selectiva. Quiere esto decir que los átomos absorben preferentemente un estado de polarización de la luz que les llega de las regiones subyacentes. (La absorción es un mecanismo de interacción de la radiación con la materia por medio del cual un átomo que se encuentra en un nivel de energía inferior puede pasar a un estado excitado de energía superior por la "absorción" de un fotón de la luz que se propaga en el medio).

En particular, como se demuestra en la citada publicación, la detección de este tipo de señales de polarización en líneas espectrales del helio neutro observadas en gigantescas protuberancias solares implica necesariamente la presencia de campos magnéticos con intensidades del orden de decenas de gauss que se encuentran significativamente inclinados con respecto a la dirección del radio estelar. Este trabajo ha requerido combinar estudios teóricos de Física Atómica y simulaciones numéricas (del proceso de transporte de radiación polarizada en plasmas magnetizados) junto con observaciones espectropolarimétricas realizadas con un novedoso polarímetro desarrollado en el IAC.

"Nuestro grupo -explica Javier Trujillo Bueno- lleva años desarrollando las técnicas de diagnóstico adecuadas para la exploración de los campos magnéticos en Astrofísica, y con particular interés en investigar el magnetismo solar. Gracias a la existencia de dos efectos físicos descubiertos en los laboratorios terrestres (los efectos Zeeman y Hanle) podemos obtener información sobre campos magnéticos en el plasma de la atmósfera solar en un rango de intensidades que va desde sólo una milésima de gauss hasta miles de gauss. Ambos efectos actúan a nivel atómico y, en consecuencia, modifican el grado de polarización de la luz emitida por los átomos en cada punto del plasma astrofísico en estudio. En particular, la iluminación anisótropa de los átomos en las regiones externas de las atmósferas estelares da lugar a lo que llamamos "polarización atómica" (esto es, diferencias entre las poblaciones de los subniveles asociados a un nivel atómico dado y a complejas interferencias mecano-cuánticas entre tales subniveles). La modificación de dicha `polarización atómica' como consecuencia de la acción de un débil campo magnético (y, por tanto, de la polarización de la luz que observamos) es lo que llamamos el efecto Hanle, en honor al físico que publicó en 1924 la primera explicación correcta de este fenómeno descubierto en el laboratorio''.

Las líneas espectrales de un elemento químico dado (por ejemplo, del helio) se originan como consecuencia de una transición entre dos niveles atómicos discretos, donde la energía de excitación del nivel superior es obviamente mayor que la del nivel inferior. En general, el tiempo que "vive" un átomo excitado en un nivel superior dado es considerablemente menor que cuando el átomo se encuentra en su nivel inferior fundamental. En principio, cuanto mayor es la vida media de un nivel atómico dado, más vulnerable resulta ser su "polarización atómica" a los efectos depolarizantes producidos por los campos magnéticos.

"Hasta ahora se pensaba erróneamente -añade Javier Trujillo Bueno- que la polarización atómica de los niveles atómicos inferiores de larga vida debía de ser totalmente insignificante en presencia de campos magnéticos considerablemente inclinados respecto de la dirección del radio estelar y teniendo intensidades en el rango de gauss. Sin embargo, nuestros cálculos teóricos basados en la teoría cuántica de la interacción radiación-materia predecían una cantidad muy significativa de "polarización atómica" en los niveles fundamentales de varios tipos de átomos, lo que nos llevó interesantemente a la conclusión de que en el plasma magnetizado de la atmósfera solar deben de producirse señales de polarización importantes en líneas espectrales para las cuales se pensaba anteriormente que la polarización de su luz debería de ser prácticamente despreciable. Con esta motivación científica decidimos realizar observaciones espectropolarimétricas en líneas espectrales del helio neutro utilizando un novedoso polarímetro construido en el IAC".

"Dicho instrumento -comenta Manuel Collados- está basado en cristales líquidos ferroeléctricos y permite medir con gran precisión el estado de polarización de la luz entre 1 y 2 micras, aproximadamente. Actualmente estamos trabajando para lograr adaptar al telescopio solar VTT del Observatorio del Teide un polarímetro sensible a la luz visible, el cual había sido construido previamente en el IAC para su uso en el telescopio solar SVST, del Observatorio del Roque de los Muchachos. Asimismo, estamos estudiando seriamente la posibilidades de construir polarímetros para futuros telescopios espaciales basados en esta tecnología".

En Astrofísica no se puede experimentar directamente con el cuerpo celeste en estudio. Lo que se hace es observar con sofisticados instrumentos la radiación electromagnética que es captada con grandes telescopios. También es clave realizar simulaciones numéricas con potentes ordenadores para entender mejor los resultados de la acción conjunta de una variedad de procesos físicos relevantes (por ejemplo, procesos radiativos y magneto-hidrodinámicos). En particular, el Sol, nuestra estrella más cercana y fuente de la vida en nuestro planeta, es además como un gigantesco laboratorio que nos permite investigar en detalle un amplio dominio de la Física que no es accesible mediante experimentos en los laboratorios terrestres. En cambio, el Sol realiza continuamente y gratuitamente nuevos experimentos en su propio laboratorio. Pero para los astrofísicos es esencial lograr explicar rigurosamente, en términos de la Física Teórica, sus observaciones ya que es sólo así como pueden lograr verdaderos nuevos avances en el conocimiento.

"Yo vine al IAC hace unos meses con una beca de la Unión Europea -comenta Laura Merenda (actualmente de regreso en la Universidad italiana de Trento). Tuve esta oportunidad gracias a la red europea sobre magnetismo solar en la que participa el IAC. Para mí ha sido toda una gran experiencia el poder trabajar estos meses en este grupo del IAC que hace Astrofísica combinando inteligentemente instrumentación, observaciones, estudios teóricos y simulaciones numéricas".

El descubrimiento de que el citado mecanismo físico de absorción selectiva produce importantes señales de polarización lineal en líneas espectrales es de gran interés con vistas a facilitar la exploración de campos magnéticos en Astrofísica. En particular, es de inmediato interés para lograr descifrar la geometría y estructura tridimensional de los campos magnéticos que confinan el plasma de las protuberancias solares.

"En colaboración con nuestros colegas de la Universidad de Florencia -concluye Javier Trujillo Bueno- hemos venido desarrollando las técnicas de diagnóstico de plasmas necesarias para lograr descifrar dicha estructura magnética tridimensional mediante la interpretación teórica rigurosa de observaciones espectropolarimétricas. Nuestros métodos están basados en la teoría cuántica de la generación y transporte de radiación polarizada en plasmas magnetizados. Lo que necesitamos ahora es sólo un pequeño paso más a nivel instrumental, con vistas a poder medir simultáneamente la polarización de la luz en dos líneas espectrales del helio distintas, una en el visible y otra en el infrarrojo. La interpretación física de novedosas observaciones espectropolarimétricas de este tipo nos permitiría un avance sin precedentes en nuestro conocimiento de la evolución temporal de la geometría de los campos magnéticos que permiten el confinamiento del plasma de dichas gigantescas estructuras en el Sol, lo cual podría resultar de interés adicional en el campo de la Física de Plasmas en los laboratorios terrestres. Asimismo, esto es importante para entender mejor los cambios que se dan en la geometría de tales campos magnéticos, ya que dichos cambios son los responsables del desencadenamiento de muchas de las impresionantes erupciones de masa coronal que, en ocasiones, afectan dramáticamente el "clima" del espacio que rodea a la Tierra".