Comprender cuán grandes pueden llegar a ser las erupciones solares

El 1 de mayo de 2019, la estrella de al lado estalló.

En cuestión de segundos, Proxima Centauri, la estrella más cercana a nuestro Sol, se volvió miles de veces más brillante de lo habitual, hasta 14.000 veces más brillante en el rango ultravioleta del espectro. El estallido de radiación fue lo suficientemente fuerte como para dividir cualquier molécula de agua que pudiera existir en el planeta templado del tamaño de la Tierra que orbita esa estrella; repetidas explosiones de esa magnitud podrían haber despojado al planeta de cualquier atmósfera.

Sería una mala noticia si el sol de la Tierra alguna vez se enojara tanto.

Pero el Sol tiene sus momentos, el más famoso, en las horas previas al amanecer del 2 de septiembre de 1859. En ese momento, una brillante aurora iluminó el planeta, apareciendo tan al sur como La Habana. La gente de Missouri podía leer a su luz, mientras que los mineros que dormían al aire libre en las Montañas Rocosas se despertaban y, pensando que era el amanecer, comenzaban a preparar el desayuno. “Todo el hemisferio norte estaba tan iluminado como si el Sol se hubiera puesto una hora antes”, informó el Times de Londres unos días después.

Mientras tanto, las redes de telégrafos se volvieron locas. Las chispas salieron de los equipos, algunos de los cuales se incendiaron, y los operadores en Boston y Portland, Maine, sacaron los cables del telégrafo de las baterías pero siguieron transmitiendo, impulsados por la energía eléctrica que atravesaba la Tierra.

Los eventos de ese viernes evocaron descripciones bíblicas. «Las manos de los ángeles cambiaron el glorioso escenario de los cielos», informó el Cincinnati Daily Commercial . El ímpetu real fue un poco más prosaico: los cielos habían sido incendiados por una enorme gota de gas cargado eléctricamente, disparado desde el Sol después de un destello de luz conocido como llamarada solar.

^{El clima espacial encapsula las condiciones predominantes en el sistema solar causadas por el viento solar y el campo magnético de gran alcance del sol. Los cambios repentinos en el Sol, como las llamaradas y erupciones de material, son como frentes meteorológicos, trayendo consigo “tormentas” magnéticas que se pueden sentir en los planetas. En la Tierra, esto puede causar auroras impresionantes, pero también puede causar estragos en la electrónica. El destello de luz de una llamarada tarda unos 8 minutos en llegar a la Tierra; El material solar expulsado del sol en una eyección de masa coronal (CME) puede tardar horas o días en recorrer la distancia. Las tormentas magnéticas pueden ser breves o durar muchos días.}

Revista conocible

Tal mancha, una maraña de plasma y campos magnéticos, se conoce como eyección de masa coronal. Al llegar a la Tierra, tal eyección puede desencadenar la más feroz de las tormentas geomagnéticas. La tormenta de 1859, denominada Evento de Carrington por el científico que presenció la llamarada que la precedió, se ha mantenido durante mucho tiempo como el golpe más poderoso que jamás haya dado el sol.

Pero en los últimos años, la investigación ha indicado que el Evento Carrington fue solo una muestra de lo que el Sol puede arrojarnos. Los anillos de los árboles y los núcleos de hielo codifican ecos de tormentas solares dramáticamente más fuertes en el pasado distante. Y otras estrellas, como Proxima Centauri, muestran que incluso los estallidos solares más enérgicos documentados palidecen en comparación con lo que es posible.

Sin embargo, el evento Carrington ofrece pistas importantes sobre lo que el Sol podría tener reservado para la Tierra en el futuro, escribe el físico solar Hugh Hudson en la Revisión anual de astronomía y astrofísica de 2021. “El peligro acecha a los activos tecnológicos de la humanidad, especialmente los del espacio”, escribe Hudson, de la Universidad de Glasgow. A raíz de un evento similar a Carrington hoy, las redes eléctricas enteras podrían apagarse y los satélites GPS podrían quedar fuera de línea.

Comprender cuán severas pueden ser las tormentas solares proporciona información sobre lo que el universo puede lanzar en nuestro camino, y tal vez cómo predecir la próxima para que estemos mejor preparados cuando suceda.

Anatomía de una llamarada

Aproximadamente 18 horas antes de que el evento de 1859 iluminara los cielos de la Tierra, un astrónomo inglés notó algo extraño en la superficie del Sol .

Mientras trabajaba en su observatorio, Richard Carrington vio dos puntos brillantes de luz emerger de entre un puñado de manchas solares oscuras y desaparecer en cinco minutos. Otro astrónomo inglés, Richard Hodgson, vio lo mismo y señaló que era como si la brillante estrella Vega hubiera aparecido en el Sol. Al mismo tiempo, las agujas con forma de brújula en el Observatorio Kew de Inglaterra se movieron, un indicio de la tormenta magnética a punto de sobrevenir.

Antes de eso, nadie sabía sobre las erupciones solares, principalmente porque nadie estaba rastreando las manchas solares todos los días despejados como lo hacía Carrington. Pasarían décadas antes de que los astrónomos y físicos pudieran desentrañar la física de las erupciones solares y su impacto en la Tierra.

_{En 1859, el astrónomo inglés Richard Carrington estaba haciendo este boceto de manchas solares (izquierda), cuando vio dos gotas de luz emerger del gran grupo de manchas cerca de la parte superior. Carrington dibujó la primera aparición de la llamarada como dos regiones en forma de frijol ubicadas entre los puntos (etiquetados A y B en primer plano a la derecha). Cinco minutos más tarde, las dos manchas blancas se habían desplazado hacia la derecha y se habían desvanecido considerablemente (marcadas con C y D).}

_{S. PROSSER, OXFORD UNIVERSITY PRESS 2018 (IZQUIERDA) / RICHARD CARRINGTON, DOMINIO PÚBLICO (DERECHA)}

Una llamarada solar es una erupción en el Sol, un destello repentino de luz, generalmente cerca de una mancha solar, que puede liberar tanta energía como aproximadamente 10 mil millones de bombas nucleares de 1 megatón. El disparador es una liberación repentina y localizada de energía magnética reprimida que lanza radiación a todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos gamma.

Muchas erupciones solares, aunque no todas, van acompañadas de una eyección de masa coronal, un trozo masivo del gas caliente del Sol lanzado al espacio junto con una maraña de campos magnéticos. Miles de millones de toneladas de materia solar pueden fluir hacia el sistema solar, cruzando los 150 millones de kilómetros hasta la órbita de la Tierra en un lapso de aproximadamente 14 horas a unos pocos días.

La mayoría de las erupciones solares pasan por alto nuestro planeta por un amplio margen. Pero de vez en cuando, uno apunta directamente a la Tierra. Y ahí es cuando las cosas pueden ponerse interesantes.

Aproximadamente ocho minutos después de una erupción solar, su luz llega a la Tierra en un destello de luz visible. Eso es también cuando un pico en la luz ultravioleta y los rayos X rocían la atmósfera superior, causando una ligera perturbación magnética en la superficie. Esa fue la contracción que sintieron los instrumentos magnéticos en el Kew en 1859.

La eyección de masa coronal puede desencadenar una tormenta geomagnética cuando se encuentra con el campo magnético que envuelve a la Tierra. La perturbación del campo magnético induce corrientes eléctricas que atraviesan los conductores, incluidos los cables e incluso el planeta mismo. Al mismo tiempo, las partículas cargadas de alta velocidad arrojadas por el sol chocan contra los átomos de la atmósfera superior, iluminando la aurora.

_{El 6 de septiembre de 2017, el sol emitió una poderosa llamarada solar de clase X, una designación reservada para las llamaradas más intensas. Visto aquí en luz ultravioleta capturada por el Observatorio de Dinámica Solar en órbita de la NASA, la llamarada fue una de las más fuertes vistas en años y se produjo en medio de una serie de erupciones solares ese mes. Los hilos brillantes son filamentos abrasadores de plasma atrapados por campos magnéticos que forman un arco sobre la superficie del Sol.}

_{NASA / GSFC / SDO}

La llamarada de 1859 ha sido durante mucho tiempo, y sigue siendo, un destacado en su energía y efectos en la Tierra. Las erupciones solares comparativamente poderosas a menudo se denominan «eventos de Carrington». Pero no está solo.

“A menudo se describe como la tormenta más intensa jamás registrada”, dice Jeffrey Love, geofísico del Servicio Geológico de Estados Unidos en Denver. «Eso posiblemente no sea exactamente cierto, pero ciertamente es una de las dos tormentas más intensas». O tres o cuatro.

En mayo de 1921, el Sol asestó a nuestro planeta una tormenta geomagnética a la par con el Evento Carrington. Como en 1859, apareció una aurora brillante mucho más allá de las regiones polares. Los sistemas de telégrafo y teléfono se estropearon y algunos provocaron incendios destructivos.

Y solo 13 años después de que Carrington vio la llamarada del mismo nombre, se produjo otra tormenta solar que, según algunas medidas, puede haberla superado. “Parece ahora, basándose en mediciones de auroras y escasos magnetómetros, que un evento en 1872 fue probablemente más grande que el Evento Carrington”, dice Ed Cliver, un físico solar retirado de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Estas tormentas muestran que el evento Carrington no fue un «cisne negro», dice Hudson. En todo caso, el Sol se ha estado frenando en la era moderna. La evidencia del pasado más distante apunta a algunas tormentas solares que hacen que el Evento Carrington parezca casi insignificante en comparación.

Bengalas olvidadas

Los árboles tienen una larga memoria. Cada año de crecimiento narra curiosidades sobre las condiciones ambientales en ese momento en anillos concéntricos anuales. A partir de esos anillos, los investigadores pueden reconstruir escenas del pasado de la Tierra.

Algunos cedros en Japón recuerdan un tsunami de partículas atómicas lanzadas desde el Sol alrededor del año 775. Esos árboles registraron un aumento significativo en el carbono-14, una variante radiactiva del carbono que los árboles absorben de la atmósfera. El carbono 14 surge de los enfrentamientos entre el nitrógeno atmosférico y los rayos cósmicos, partículas de alta velocidad del espacio que golpean nuestro planeta a diario. Algunas erupciones solares bañan la Tierra con un exceso de rayos cósmicos, lo que aumenta la producción de carbono-14. El cambio en los niveles de carbono 14 registrado en 775 fue aproximadamente 20 veces mayor que el flujo y reflujo normal del Sol, informaron los investigadores en 2012 .

“La sugerencia clara fue que podrían ocurrir súper eventos, porque esto era un factor de 10, si se trataba de una llamarada solar, un factor de 10 o 20 o más mayor que el Evento Carrington”, dice Hudson.

_{En las primeras horas del 1 de marzo de 2011, una onda del viento solar golpeó el campo magnético de la Tierra y desencadenó una tormenta geomagnética menor, provocando la aurora etérea que se ve aquí sobre el Poker Flat Research Range en Alaska.}

_{NASA / GSFC / JAMES SPANN}

Un aumento de carbono 14 en los anillos de los árboles mostró signos de otro evento solar considerable en 994. Los núcleos de hielo de la Antártida mostraron un aumento correspondiente, tanto en 994 como en 775, de berilio-10, otro producto de los rayos cósmicos, lo que agrega más certeza al árbol. Hallazgos de anillo.

Mirando más atrás en el tiempo, un estudio de núcleos de hielo sugiere un tercer evento similar alrededor del 660 a. C. Y en agosto (en un artículo que aún se encuentra en revisión por pares), los investigadores informaron dos picos más de carbono 14 en los anillos de los árboles de alrededor de 7176 a. C. y 5259 a. C., posiblemente a la par con el evento 775.

Es difícil comparar directamente estas tormentas pasadas con el evento Carrington, dice Ilya Usoskin, físico espacial de la Universidad de Oulu en Finlandia y coautor del estudio de agosto. La llamarada de 1859 no produjo un aguacero de partículas en la Tierra, por lo que no hay recuentos de carbono 14 para comparar. Pero el evento 775 parece ser una de las tormentas de partículas solares más fuertes registradas en los últimos 12.000 años, dice Usoskin.

Hay una trampa, señala Hudson. Los anillos de los árboles se colocan anualmente, por lo que algunas bengalas más pequeñas en el lapso de varios meses pueden aparecer como un gran evento en el registro de los anillos de los árboles.

Pero incluso entonces, cualquiera de estas bengalas más pequeñas podría haber sido impresionante. “Cada uno de esos eventos sería al menos del orden de tres veces más grande que el Evento Carrington en términos de su energía”, dice Cliver.

Eso, sin embargo, sigue siendo modesto en comparación con algunas otras estrellas de nuestra galaxia.

Super bengalas

Si existe vida en el planeta que orbita Próxima Centauri, probablemente haya tenido una mala racha.

«Realmente estás pensando en tener algo como un evento de Carrington sucediendo todos los días», dice Meredith MacGregor, astrofísica de la Universidad de Colorado Boulder. Incluso los «superbroteos» más fuertes, como el que ella y sus colegas detectaron en 2019 , pueden estallar aproximadamente cada dos días. Su equipo detectó ese destello, posiblemente 100 veces más poderoso que el Evento Carrington, después de observar a la estrella de al lado durante solo 40 horas.

Con un aluvión casi constante de llamaradas, cualquier atmósfera que se aferre al planeta rocoso acurrucado cerca de la estrella nunca tendrá tiempo de recuperarse. «Sí, un evento de Carrington [en la Tierra] freiría algunos dispositivos electrónicos y arruinaría las señales de GPS», dice MacGregor, «pero no destruirá la habitabilidad de nuestro planeta».

_{La estrella Proxima Centauri y su dúo vecino de Alpha Centauri A y B son las estrellas más cercanas al sol, y se encuentran a solo 4,2 años luz de distancia. Proxima, el más cercano del trío, es un orbe rojo tenue con llamaradas frecuentes y poderosas que golpean el planeta de masa terrestre que orbita cerca de él.}

_{ENCUESTA DE CIELO DIGITALIZADO 2. AGRADECIMIENTO: DAVIDE DE MARTIN / MAHDI ZAMANI}

Para ser claros, Proxima Centauri no es como el Sol. Es una enana M, un orbe diminuto que se ilumina en rojo. Y estas pequeñas estrellas son famosas por sus destellos de gran tamaño. Pero algunas estrellas parecidas al Sol también pueden enviar súper llamaradas.

Este descubrimiento proviene de telescopios en el espacio diseñados para buscar planetas alrededor de otras estrellas. El ahora desaparecido telescopio Kepler de la NASA hizo esto buscando sutiles caídas en la luz de las estrellas a medida que los planetas se cruzaban frente a sus soles.

Durante cuatro años, Kepler registró 26 súper llamaradas, hasta unas 100 veces más energéticas que el Evento Carrington, en 15 estrellas similares al sol, informaron los investigadores en enero . La misión TESS en curso de la NASA, otro telescopio espacial que busca exoplanetas, encontró una frecuencia similar de superbrillantes en estrellas similares al Sol en su primer año de operación.

Los datos de Kepler implican que las estrellas similares al Sol experimentan la más poderosa de estas llamaradas aproximadamente una vez cada 6.000 años. La erupción más poderosa de nuestro Sol en ese lapso de tiempo es un orden de magnitud más débil, pero ¿podría haber una súper llamarada en nuestro futuro?

«No creo que ninguna teoría tenga la capacidad de predicción suficiente para significar algo», dice Hudson. «La teoría principal básicamente dice que cuanto más grande es la mancha solar, mayor es la llamarada». Las manchas solares marcan el lugar donde el campo magnético del Sol atraviesa su superficie, evitando que el gas caliente burbujee desde abajo. La mancha se ve oscura porque está más fría que todo lo que la rodea.

Y esa es una diferencia entre el Sol y sus vecinos eruptivos. Súper llamaradas parecen ocurrir en estrellas con manchas frías y oscuras mucho más grandes de lo que nunca aparecen en el Sol. “Basado en áreas de puntos conocidos, por lo tanto, habría un límite”, dice Hudson.

Las complejidades de las maquinaciones magnéticas de cualquier estrella (manchas, destellos, etc.) aún se comprenden poco, por lo que vincular todas estas observaciones en una sola historia coherente llevará tiempo. Pero la búsqueda para comprender todo esto podría mejorar las predicciones sobre qué esperar del sol en el futuro.

Las llamaradas que son lo suficientemente poderosas como para interrumpir nuestra red eléctrica probablemente ocurren, en promedio, unas pocas veces al siglo, dice Love. «Mirar 1859 ayuda a ponerlo en perspectiva, porque lo que sucedió en la era de la era espacial, desde 1957, ha sido más modesto». El Sun no nos ha apuntado con una bengala similar a la de Carrington desde hace bastante tiempo. Una repetición de 1859 en el siglo XXI podría ser desastrosa.

La humanidad depende mucho más de la tecnología de lo que era en 1859. Un evento similar al de Carrington hoy podría causar estragos en las redes eléctricas, los satélites y las comunicaciones inalámbricas. En 1972, una erupción solar destruyó las líneas telefónicas de larga distancia en Illinois, por ejemplo. En 1989, una llamarada apagó la mayor parte de la provincia de Quebec, cortando la energía a aproximadamente 6 millones de personas durante hasta nueve horas. En 2005, una tormenta solar interrumpió los satélites GPS durante 10 minutos.

La mejor prevención es la predicción. Saber que una eyección de masa coronal está en camino podría dar a los operadores tiempo para reconfigurar o apagar de manera segura el equipo para evitar su destrucción.

Incorporar una capacidad de recuperación adicional también podría ayudar. Para la red eléctrica, eso podría incluir agregar redundancia o dispositivos que pueden drenar el exceso de carga. Las agencias federales podrían tener un stock de transformadores de energía móviles en espera, listos para implementar en áreas donde los transformadores existentes, que se sabe que se derritieron en tormentas solares anteriores, han sido destruidos. En el espacio, los satélites podrían ponerse en modo seguro mientras esperan a que pase la tormenta.

El Evento de Carrington no fue único. Fue solo una muestra de lo que puede hacer el sol. Si la investigación sobre las erupciones solares pasadas nos ha enseñado algo, es que la humanidad no debería preguntarse si una tormenta solar similar podría volver a ocurrir. Todo lo que podemos preguntarnos es cuándo.