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Llevando el sol al laboratorio

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Por qué la corona solar alcanza temperaturas de varios millones de grados Celsius es uno de los grandes misterios de la física solar. Un rastro «caliente» para explicar este efecto conduce a una región de la atmósfera solar justo debajo de la corona, donde las ondas sonoras y ciertas ondas de plasma viajan a la misma velocidad. En un experimento con rubidio de metal alcalino fundido y campos magnéticos altos pulsados, un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un laboratorio nacional alemán, desarrolló un modelo de laboratorio y por primera vez confirmó experimentalmente el comportamiento teóricamente predicho. de estas ondas de plasma, las llamadas ondas de Alfvén, como informan los investigadores en la revista Cartas de revisión física.

A 15 millones de grados Celsius, el centro de nuestro Sol está inimaginablemente caliente. En su superficie, emite su luz a una temperatura relativamente moderada de 6000 grados Celsius. «Es aún más sorprendente que temperaturas de varios millones de grados vuelvan a prevalecer repentinamente en la corona del Sol suprayacente», dice el Dr. Frank Stefani. Su equipo lleva a cabo una investigación en el Instituto de Dinámica de Fluidos HZDR sobre la física de los cuerpos celestes, incluida nuestra estrella central. Para Stefani, el fenómeno del calentamiento por corona sigue siendo uno de los grandes misterios de la física solar, uno que sigue corriendo por su mente en forma de una pregunta muy simple: «¿Por qué la olla está más caliente que la estufa?»

El hecho de que los campos magnéticos jueguen un papel dominante en el calentamiento de la corona solar ahora es ampliamente aceptado en la física solar. Sin embargo, sigue siendo controvertido si este efecto se debe principalmente a un cambio repentino en las estructuras del campo magnético en el plasma solar oa la amortiguación de diferentes tipos de ondas. El nuevo trabajo del equipo de Dresde se centra en las llamadas ondas de Alfvén que se producen por debajo de la corona en el plasma caliente de la atmósfera solar, que está impregnado de campos magnéticos. Los campos magnéticos que actúan sobre las partículas ionizadas del plasma se asemejan a una cuerda de guitarra, cuya ejecución desencadena un movimiento ondulatorio. Así como el tono de una cuerda rasgada aumenta con su tensión, la frecuencia y velocidad de propagación de la onda Alfvén aumenta con la fuerza del campo magnético.

«Justo debajo de la corona solar se encuentra el llamado dosel magnético, una capa en la que los campos magnéticos se alinean en gran medida paralelos a la superficie solar. Aquí, el sonido y las ondas de Alfvén tienen aproximadamente la misma velocidad y, por lo tanto, pueden transformarse fácilmente entre sí. Nosotros quería llegar exactamente a este punto mágico, donde comienza la transformación similar a un choque de la energía magnética del plasma en calor «, dice Stefani, destacando el objetivo de su equipo.

¿Un experimento peligroso?

Poco después de su predicción en 1942, las ondas de Alfvén habían sido detectadas en los primeros experimentos de metal líquido y luego estudiadas en detalle en elaboradas instalaciones de física de plasma. Solo las condiciones del dosel magnético, consideradas cruciales para el calentamiento por corona, permanecieron inaccesibles para los experimentadores hasta ahora. Por un lado, en grandes experimentos con plasma, la velocidad de Alfvén suele ser mucho más alta que la velocidad del sonido. Por otro lado, en todos los experimentos de metales líquidos hasta la fecha, ha sido significativamente menor. La razón de esto: la intensidad del campo magnético relativamente baja de las bobinas superconductoras comunes con un campo constante de aproximadamente 20 tesla.

Pero, ¿qué pasa con los campos magnéticos pulsados, como los que se pueden generar en el Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) de Dresde del HZDR con valores máximos de casi 100 tesla? Esto corresponde a aproximadamente dos millones de veces la fuerza del campo magnético de la Tierra: ¿Estos campos extremadamente altos permitirían que las ondas de Alfvén atraviesen la barrera del sonido? Al observar las propiedades de los metales líquidos, se sabía de antemano que el rubidio de metal alcalino alcanza este punto mágico ya en 54 tesla.

Pero el rubidio se enciende espontáneamente en el aire y reacciona violentamente con el agua. Por lo tanto, el equipo inicialmente tenía dudas sobre si un experimento tan peligroso era aconsejable. Las dudas se disiparon rápidamente, recuerda el Dr. Thomas Herrmannsdörfer del HLD: «Nuestro sistema de suministro de energía para operar los imanes de pulso convierte 50 megajulios en una fracción de segundo; con eso, teóricamente podríamos hacer que un avión comercial despegue en una fracción de segundo. Cuando les expliqué a mis colegas que una milésima parte de esta cantidad de energía química del rubidio líquido no me preocupa mucho, sus expresiones faciales se iluminaron visiblemente «.

Pulsado a través de la barrera magnética del sonido.

Sin embargo, todavía era un camino rocoso para el éxito del experimento. Debido a las presiones de hasta cincuenta veces la presión atmosférica generada en el campo magnético pulsado, la masa fundida de rubidio tuvo que encerrarse en un recipiente de acero inoxidable resistente, que un químico experimentado, sacado de su retiro, debía llenar. Al inyectar corriente alterna en el fondo del recipiente y al mismo tiempo exponerlo al campo magnético, finalmente fue posible generar ondas Alfvén en la masa fundida, cuyo movimiento ascendente se midió a la velocidad esperada.

La novedad: mientras que hasta la intensidad del campo mágico de 54 tesla, todas las mediciones estuvieron dominadas por la frecuencia de la señal de corriente alterna, exactamente en este punto apareció una nueva señal con frecuencia dividida a la mitad. Este repentino período de duplicación estaba en perfecto acuerdo con las predicciones teóricas. Las oleadas de Alfvén del equipo de Stefani habían atravesado la barrera del sonido por primera vez. Aunque no todos los efectos observados pueden explicarse con tanta facilidad, el trabajo aporta un detalle importante para resolver el rompecabezas del calentamiento de la corona solar. Para el futuro, los investigadores están planificando análisis numéricos detallados y más experimentos.

La investigación sobre el mecanismo de calentamiento de la corona solar también se está llevando a cabo en otros lugares: las sondas espaciales Parker Solar Probe y Solar Orbiter están a punto de obtener nuevos conocimientos a corta distancia.

Fuente

Escrito por jucebo

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