Cómo los científicos pronosticaron la aparición de la Corona durante el Eclipse Total de Sol de 2017

Predictive Science Inc. desarrolló un modelo numérico que simulaba cómo se vería la corona durante el eclipse solar total del 21 de agosto de 2017. Una imagen compuesta generada a partir de fotografías tomadas el día del eclipse total. Créditos: Predictive Science Inc./Miloslav Druckmüller, Peter Aniol, Shadia Habbal / NASA Goddard, Joy Ng

Era el 14 de agosto de 2017, solo una semana antes de que la Luna se cruzara con el Sol y la Tierra, proyectando su sombra a través de los Estados Unidos. Todo el país vibró de expectación ante la fugaz oportunidad de ver la corona, la tenue atmósfera exterior del Sol. 

Pero la espera fue especialmente estresante para un grupo de científicos de Predictive Science Inc., una compañía de investigación privada en San Diego: Acababan de publicar una predicción de cómo sería la corona el 21 de agosto, el día del total eclipse total de sol. ¿Cómo sería su predicción, el resultado de un modelo numérico complejo y decenas de horas de computación, en comparación con la realidad? 

"A la espera de la totalidad, sabes exactamente lo que has predichopronosticado y lo que estás esperando", dijo el investigador de Predictive Science, Zoran Mikić. "Debido a que trabajas tanto con el modelo y ves la predicción tantas veces, se graba en tu cerebro. Hay mucha ansiedad porque si estás totalmente equivocado, es un poco embarazoso ". 

Los investigadores de Predictive Science utilizaron datos del Observatorio de Dinámica Solar de la NASA , o SDO, para desarrollar un modelo que simula la corona. Su modelo usa medidas de campos magnéticos en la superficie del Sol para predecir cómo el campo magnético da forma a la corona. Su trabajo fue apoyado por la NASA, la National Science Foundation y el Air Force Office of Scientific Research. Mikić es el autor principal del artículo que resume su trabajo y se publicó en Nature Astronomy el 27 de agosto de 2018. 

La ciencia coronal está profundamente enraizada en la historia de los eclipses totales; incluso con tecnología punta, es solo durante un eclipse total en donde los científicos pueden resolver la región más baja de la corona, justo encima de la superficie del Sol. Esta parte dinámica de la atmósfera solar está enredada con campos magnéticos complejos que suministran la energía para tremendas erupciones como son las erupciones y eyecciones de masa coronal. 

A medida que las partículas y la radiación de las explosiones solares viajan desde el Sol, pueden manifestarse como perturbaciones en el espacio cercano a la Tierra, conocido como clima espacial. Tan variable como el clima que experimentamos en la Tierra, el clima espacial puede interrumpir las señales de comunicaciones, los astronautas y los satélites en órbita, o incluso las redes eléctricas. 

La capacidad de pronosticar y predecir el clima espacial, al igual que hacemos con el clima terrestre, es fundamental para mitigar estos impactos, y los modelos como Predictive Science son herramientas clave en dicho esfuerzo. 

Los eclipses ofrecen una oportunidad única para que los investigadores prueben sus modelos. Al comparar la predicción de corona del modelo con las observaciones durante el eclipse, pudieron evaluar y mejorar el rendimiento de sus modelos. 

El modelo que el equipo de Predictive Science usó para el eclipse de agosto de 2017 fue el más complejo en dos décadas de predicción de eclipses. 

Una mayor complejidad demanda más horas de computación, y cada simulación requirió miles de procesadores y tomó aproximadamente dos días de tiempo real para completarse. El grupo de investigación ejecutó su modelo en varias supercomputadoras, incluidas las instalaciones en el Texas Advanced Computer Center de la Universidad de Texas en Austin; el Supercomputer Center de San Diego en la Universidad de California en San Diego; y la supercomputadora Pleiades en la instalación de Supercomputación Avanzada de la NASA en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California. 

Además de los mapas de SDO del campo magnético del Sol, el modelo utilizó observaciones de prominencias de SDO: estructuras parecidas a serpientes hechas de material solar frío y denso que sobresale de la superficie del Sol. Las prominencias se forman en las partes estresadas del campo magnético, donde se retuerce en una cuerda y puede estallar si se sobrecarga. 

Los investigadores también incluyeron nuevos cálculos para el calentamiento coronal . Aún no comprendemos cómo la corona resplandece a más de 2 millones de grados Fahrenheit, mientras que a 1,000 millas abajo, en la superficie subyacente hierve a una temperatura de 10.000 F. Una teoría propone que ondas electromagnéticas llamadas ondas de Alfvén, lanzadas desde la agitada superficie del Sol, hacia la corona, calientas partículas a medida que se propagan hacia afuera, un poco como cuando las olas del océano empujan y aceleran a los surfistas hacia la orilla. 

Teniendo en cuenta las prominencias y estas ondas pequeñas, pero numerosas, los científicos esperaban pintar un retrato cada vez más detallado del complejo comportamiento de la corona. 

Después del eclipse, el grupo encontró que su predicción tenía un parecido sorprendente con la corona del 21 de agosto de 2017, aunque el modelo carece de muchas estructuras más finas. Tanto la predicción como las fotos tomadas desde la superficie el día del eclipse muestran tres serpentinas de casco: estructuras enormes en forma de pétalo que se forman sobre una red de bucles magnéticos. La fuerza de la comparación respalda los avances en el nuevo modelo. 

Los científicos siempre han sabido que los campos magnéticos retorcidos subyacentes a las prominencias son una parte importante del Sol, pero los modelos anteriores del equipo no eran lo suficientemente sofisticados como para reflejarlo. Lo mismo es cierto para las olas que calientan la corona. "En cierto sentido, el rendimiento del modelo nos dice que el nuevo modelo de calefacción se dirige en la dirección correcta", dijo Mikić. "Ciertamente está mostrando mejores resultados. Deberíamos de persistir y perfeccionarlo más ". 

En el tema de las predicciones de eclipses, es una ayuda cuando el Sol está silencioso o menos activo. En agosto de 2017, el Sol estaba en una de esas fases silenciosas, moviéndose constantemente hacia un período de baja actividad solar en su ciclo de aproximadamente 11 años. 

Esta visualización muestra el campo magnético tridimensional del Sol durante una rotación solar completa. Los investigadores de Ciencias Predictivas modelaron líneas de campo magnético para calcular la presencia de estructuras complejas en la corona. Créditos: Predictive Science Inc./NASA Goddard, Joy Ng

Los científicos alimentaron su modelo con datos de campo magnético recogidos del lado orientado a la Tierra del Sol durante los 27 días anteriores (el tiempo que tarda el Sol en completar una rotación completa) ya que actualmente no tienen forma de observar toda la superficie de la esfera a la vez. Con ese enfoque, las mediciones tomadas al comienzo del período de 27 días, desde partes de la superficie del Sol que posteriormente han girado hacia la parte posterior donde ya no pueden verse – son más propensas a estar desfasadas de las que las fueron tomadas al final. Pero en tiempos de disminución de la actividad solar, el campo magnético no cambia rápidamente, por lo que incluso los datos de 27 días de antigüedad son útiles. 

Una discrepancia entre la predicción y las observaciones es una característica más delgada, llamada pseudostreamer, que sale desde la parte superior derecha del Sol. Los investigadores determinaron que su modelo no detectó pseudostreamer porque el campo magnético cambió en esa región específica durante la recolección de datos. La predicción de un modelo diferente capturó exitosamente a este pseudostreamer, dijo Mikić, porque parece haber estimado el campo magnético con mayor precisión allí. 

"Lo más importante que me quito de esto es que tienen un modelo sofisticado que se ve bien, pero están limitados por sus observaciones", dijo Alex Young, un científico solar en Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, quien no estuvo involucrado con el estudio. "Lo que el modelo echa de menos es una cuestión de cambio en el Sol, y eso es algo que no pueden manejar sin suficientes observaciones desde los lugares correctos". 

Probar un modelo como este apoya la idea de que, con más datos y diversos puntos de observación, los científicos pueden calcular mejor la dinámica más fina del Sol y, en última instancia, mejorar su capacidad para pronosticar eventos meteorológicos que pueden interferir con la tecnología y los astronautas en el espacio. 

Poco menos de un año después de que millones vieron la propia durante el eclipse total, el 12 de agosto de 2018, la NASA lanzó la sonda solar Parker en camino para realmente volar a través de la corona, acercándose más al sol que cualquier nave espacial anterior. 

Parker Solar Probe enviará de regreso a la Tierra observaciones desde el interior de la propia corona, que los investigadores pueden agregar a sus modelos, llenando las lagunas de conocimiento cruciales en la complicada física de esta. 

Mikić dijo que los modelos como el suto pueden complementar la misión al contextualizar el viaje de la nave a través de la corona. Los científicos nunca han trabajado con datos recolectados tan cerca del Sol. Al modelar toda la corona – la idea general - los investigadores proporcionarán una perspectiva crucial sobre el entorno de Parker a medida que se adentra en un territorio completamente inexplorado. 

"Esta es una ciencia increíble para Parker Solar Probe y del eclipse, que comparte un propósito clave", dijo Thomas Zurbuchen, administrador asociado de la sede de la NASA en Washington. "Más allá de la ciencia, se trata de avanzar realmente nuestra comprensión y capacidad para predecir el clima espacial, un gran aporte, podemos tener en la NASA". 

Fuente: NASA