La sonda Parker de la NASA descubre un patrón oculto en los campos magnéticos del Sol

La turbulencia está presente en diversos contextos, desde la leche que se mezcla en una taza de café hasta las potentes tormentas que recorren la atmósfera y los océanos. Sin embargo, la turbulencia también se manifiesta en el espacio, donde su comportamiento sigue siendo un enigma para los científicos. A diferencia del aire y el agua en la Tierra, gran parte de la materia en el espacio está compuesta por partículas cargadas eléctricamente en un estado conocido como plasma. Estas partículas interactúan de manera intensa con campos magnéticos y eléctricos, generando una turbulencia que es fundamentalmente distinta a la que experimentamos en nuestro planeta. Además, el plasma espacial es tan tenue que las partículas rara vez colisionan entre sí, lo que hace que su comportamiento sea aún más peculiar.

Durante mucho tiempo, los científicos han luchado por explicar cómo se desarrolla la turbulencia en estas condiciones y cómo se distribuye la energía entre sus fluctuaciones en constante cambio. Ahora, un equipo de investigación internacional ha descubierto una pista sorprendente: oculto dentro del movimiento aparentemente aleatorio del plasma espacial, hay un patrón magnético distintivo que invierte su dirección a escalas muy pequeñas. Este descubrimiento, publicado en The Astrophysical Journal Letters, revela un fenómeno que no había sido observado previamente y que podría mejorar nuestra comprensión del viento solar y las condiciones turbulentas que influyen en el clima espacial.

Investigadores de la Technische Universität Braunschweig y de la Universidad de Tokio, en colaboración con la Universidad de Tohoku, la Universidad de Kyushu, la Universidad de Osaka y otras instituciones internacionales, identificaron este fenómeno utilizando observaciones de la sonda Parker Solar Probe de la NASA. Esta colaboración reunió a científicos de diez países, incluidos investigadores del Instituto de Física Teórica de la Technische Universität Braunschweig. Al analizar mediciones de alta precisión de campos magnéticos y partículas, el equipo descubrió que los campos magnéticos turbulentos invierten su dirección de rotación en un rango particular de longitudes de onda. Este hallazgo marca la primera observación directa de tal reversión en la turbulencia espacial. Sorprendentemente, la inversión se vuelve más pronunciada y se desplaza hacia longitudes de onda más largas a medida que el viento solar viaja más lejos del Sol.

El cambio se produce en un límite crítico donde el comportamiento del plasma pasa del movimiento colectivo de un fluido en circulación a la dinámica de partículas individuales. Esta conexión sugiere que la inversión magnética podría ofrecer una nueva forma importante de comprender cómo opera la turbulencia en diferentes escalas físicas.

Encontrando orden en el caos de la turbulencia espacial

A escalas más grandes, el plasma se comporta de manera similar a un fluido. Estructuras en remolino, conocidas como vórtices, y ondas electromagnéticas crean fluctuaciones cada vez más complejas, produciendo las condiciones turbulentas que se encuentran en todo el espacio. Aunque estos movimientos parecen aleatorios, los investigadores descubrieron que la rotación de los campos magnéticos sigue un patrón consistente. Cuando se observa en una dirección que apunta hacia afuera desde el Sol, los campos magnéticos a escalas más grandes tienden a rotar en sentido antihorario. Sin embargo, a escalas mucho más pequeñas, la rotación preferida cambia a horario. Esta inversión ocurre precisamente donde el plasma deja de comportarse principalmente como un fluido y comienza a exhibir un comportamiento regido por partículas individuales.

El hallazgo es particularmente notable porque revela una característica clara y organizada dentro de un sistema que, de otro modo, está dominado por fluctuaciones aparentemente impredecibles. "Vemos una estructura clara en el espectro, a pesar de que la turbulencia representa movimientos desestructurados", afirma el Dr. Masatomi Iizawa (TU Braunschweig), primer autor del estudio. El Dr. Yokoi (Universidad de Tokio) enfatiza la importancia más amplia del descubrimiento, afirmando: "Los resultados son de gran relevancia tanto para la física del plasma como para la astrofísica".

Por qué el descubrimiento es importante para las tormentas solares y el clima espacial

Aunque la inversión magnética ocurre a escalas extremadamente pequeñas, comprenderla podría tener consecuencias de gran alcance para la física espacial. La turbulencia del plasma es una característica principal de muchos entornos en todo el universo, incluidos el magnetosfera de la Tierra, el viento solar, las regiones afectadas por erupciones solares, el espacio interplanetario y los discos de material que rodean objetos astronómicos conocidos como discos de acreción. También influye en las ondas de choque y nubes de material magnético que viajan a través del espacio interplanetario tras erupciones en el Sol. Estas perturbaciones pueden desempeñar un papel importante en las tormentas geomagnéticas, lo que convierte a la turbulencia del plasma en un factor crítico en los esfuerzos por predecir el clima espacial.

Al mostrar cómo un patrón magnético organizado emerge a medida que el plasma turbulento transita de un comportamiento fluido a uno de partículas, la nueva investigación proporciona una pieza importante de un rompecabezas físico que ha perdurado en el tiempo. Este estudio revela que, a pesar de la aparente caoticidad de los campos magnéticos del Sol, existe un orden subyacente que puede ser identificado. La transición del plasma desde un estado fluido a uno de partículas es crucial para entender cómo se forman estos patrones, lo que representa un avance significativo en el campo de la física solar.

Los hallazgos de este estudio podrían, en última instancia, ayudar a los científicos a comprender mejor los complejos procesos que rigen el viento solar. Este fenómeno es fundamental para la interacción del Sol con el entorno espacial y puede tener efectos directos en la Tierra, como en la formación de tormentas geomagnéticas. Mejorar los modelos físicos utilizados para prever estos eventos es esencial, ya que las tormentas geomagnéticas pueden afectar las comunicaciones, los sistemas de navegación y la infraestructura eléctrica en nuestro planeta.

La investigación fue realizada por un equipo de científicos de la Universidad de Tokio, que incluye a Masatomi Iizawa, Yasuhito Narita, Tommaso Alberti, Stuart D. Bale, Axel Brandenburg, Abraham C.-L. Chian, Horia Comișel, Shuichi Matsukiyo y Nobumitsu Yokoi. Los resultados fueron publicados en "The Astrophysical Journal Letters", en un artículo titulado "Nonlocal Evolution of Magnetic Helicity across the Magnetohydrodynamic–Kinetic Interface". Este avance en la comprensión de la dinámica del plasma solar puede tener implicaciones significativas para la astrofísica y la exploración espacial, además de contribuir a la predicción de fenómenos que afectan a la Tierra.

Fuente original: ScienceDaily.