Figura 1 - Ilustración artística de una superfulguración producida por el Sol.
Crédito: Max-Planck-Institut
Para determinar si el Sol es capaz de producir tales monstruos, un equipo internacional, que incluye al Departamento de Astrofísica del IRFU en el CEA Paris-Saclay, ha analizado decenas de miles de estrellas similares al Sol. Los investigadores descubrieron que no solo el Sol puede generar superfulguraciones, sino que estas ocurrirían en promedio una vez por siglo, una frecuencia mucho más alta de lo estimado hasta ahora.
Sin embargo, las huellas dejadas por antiguas erupciones solares en los archivos terrestres muestran que estas superfulguraciones no siempre están acompañadas de eyecciones masivas de materia, una suerte para nuestra sociedad tecnológica vulnerable a estos eventos. Para comprender y anticipar mejor estas iras solares, los investigadores se basan en simulaciones numéricas complejas para estudiar los mecanismos detrás del magnetismo y las erupciones solares.
¿Podría el Sol generar superfulguraciones?
Las fulguraciones son emisiones electromagnéticas repentinas, localizadas y de gran intensidad, provenientes de estrellas como el Sol. Estos fenómenos liberan una cantidad considerable de energía en un lapso de tiempo muy corto (ver figura 1). A menudo están acompañadas de eyecciones masivas de plasma, llamadas eyecciones de masa coronal (CMEs).
Cuando las partículas energéticas solares (SEPs) provenientes de estas erupciones alcanzan la Tierra, representan un peligro radiactivo significativo para los satélites, aeronaves y humanos. Las poderosas tormentas solares observadas este año, que generaron auroras incluso en regiones de baja latitud, son testimonio del carácter impetuoso del Sol. Pero, ¿podría producir erupciones aún más intensas, superfulguraciones, cuyos daños en la Tierra serían catastróficos? Y de ser así, ¿con qué frecuencia podrían ocurrir?
Figura 2 - Ejemplo de superfulguración observada en la curva de luz (puntos azules) de una estrella del muestreo estudiado.
La estrella KIC 8183083, similar al Sol, exhibe una fuerte variación de luminosidad, característica de una superfulguración, delimitada aquí por las líneas verticales punteadas (panel superior). Al hacer zoom sobre ella (ver panel inferior), se observan dos medidas del flujo luminoso, simbolizado por una forma de estrella, que superan significativamente (más de 5?) los otros valores.
Crédito: Vasilyev et al. 2024
Las pruebas de las peores "iras" solares se encuentran en los anillos de los árboles prehistóricos y en los núcleos de hielo milenarios. El análisis de estos archivos terrestres, que cubren los últimos 12,000 años, sugiere que una tormenta solar extrema ocurre en promedio cada 1,500 años. Sin embargo, esta estimación podría estar subestimada, ya que la relación entre superfulguraciones y eyecciones de partículas solares extremas sigue siendo incierta. En cuanto a las mediciones directas de la radiación solar, estas solo se remontan a la era espacial, un período demasiado corto para proporcionar conclusiones definitivas.
Una alternativa consiste en estudiar estadísticamente las superfulguraciones en estrellas similares al Sol. Si las propiedades de estas estrellas corresponden suficientemente a las de nuestra estrella, la frecuencia de las superfulguraciones observadas puede ofrecer una estimación indirecta pero valiosa de la frecuencia de las superfulguraciones solares.
Superfulguraciones sorprendentemente frecuentes
Para este estudio, los investigadores utilizaron los datos del telescopio Kepler (NASA), que observó sin interrupción las variaciones de luminosidad de miles de estrellas durante 4 años, de 2009 a 2013. Luego seleccionaron las estrellas cuya temperatura y luminosidad son comparables a las del Sol, con una ubicación precisa determinada gracias al satélite Gaia. La muestra así constituida cuenta con 56,450 estrellas, representando el equivalente a 220,000 años de actividad estelar, es decir, aproximadamente 18 veces más que los archivos terrestres.
Las superfulguraciones, que liberan más de un octillón de julios en unos instantes, se manifiestan por picos pronunciados en la curva de luminosidad de las estrellas (ver figura 2). Después de eliminar los posibles sesgos, como la radiación cósmica o los asteroides cercanos, los investigadores identificaron 2,889 superfulguraciones en 2,527 estrellas, es decir, un promedio de una superfulguración por estrella cada 100 años. Incluso al restringir la muestra para conservar solo las estrellas con características más cercanas a las del Sol, se encuentra la misma frecuencia de erupciones.
"Nos sorprendió mucho la frecuencia de estas superfulguraciones", declaró el Dr. Valeriy Vasilyev, autor principal del estudio e investigador del Max Planck Institut.
De hecho, estudios previos reportaron frecuencias aproximadamente dos órdenes de magnitud inferiores a las observadas en este estudio, entre 1,000 y 10,000 años. Sin embargo, estas estimaciones son incompatibles con las erupciones solares observadas, probablemente debido a sesgos en los análisis, relacionados con una identificación incierta de las fuentes de las erupciones.
Las superfulguraciones dictadas por una ley de potencia
A partir de la distribución energética del número de erupciones estelares por año y por unidad de energía (ver Figura 3), los investigadores observaron que la frecuencia de las erupciones disminuye con la energía liberada según una ley de potencia del tipo E-α, donde el exponente α determina la rapidez de esta disminución. El valor de α para el Sol, obtenido a partir de las mediciones realizadas desde el espacio entre 1986 y 2020, está en muy buen acuerdo con las mediciones estelares, validando así las estimaciones de la frecuencia de las superfulguraciones (E>1034 erg) en aproximadamente una por siglo.
Sin embargo, surge la pregunta: ¿puede el Sol, cuya rotación es lenta (28 días), acumular suficiente energía para generar tales erupciones? Además de su contribución a la interpretación y análisis de los datos, las simulaciones de dinamo realizadas por los investigadores del Departamento de Astrofísica del CEA demostraron que tal fenómeno es energéticamente posible.
"Los cálculos de dinamo de alto rendimiento de las estrellas de tipo solar explican fácilmente los orígenes magnéticos de la intensa liberación de energía durante estas superfulguraciones." Dr. Allan-Sacha Brun
Figura 3 - Distribuciones acumuladas de la frecuencia anual de las erupciones solares y estelares en función de su energía (en erg).
Una superfulguración se define como una erupción cuya energía E supera 1034 erg (simbolizada por un rayo). La extrapolación de las observaciones solares (línea punteada verde), obtenidas desde el espacio entre 1986 y 2020 (histograma verde), sugiere una ocurrencia promedio de una superfulguración solar por siglo (10-2/año). Las mediciones de las erupciones estelares en una amplia muestra de estrellas, similares al Sol, observadas por el telescopio Kepler (histogramas azul para la muestra completa, naranja para una muestra restringida), confirman esta frecuencia de las superfulguraciones (línea negra punteada). Por otro lado, las estimaciones basadas en los archivos terrestres (cuadrados verdes), como los anillos de árboles y los núcleos de hielo, indican una ocurrencia aproximadamente 10 a 100 veces menos frecuente. Esta diferencia se explica por el hecho de que las superfulguraciones no siempre están acompañadas de eyecciones masivas de partículas energéticas y cargadas.
Crédito: Vasilyev et al. 2024.
Cómo protegerse de las tormentas espaciales peligrosas
Este estudio revela que el Sol podría generar superfulguraciones con una frecuencia más alta de lo estimado anteriormente: aproximadamente una vez por siglo. Estos fenómenos pueden liberar energías hasta 100 veces superiores a las de la erupción solar más poderosa jamás registrada, ocurrida el 28 de octubre de 2003. Afortunadamente, los archivos terrestres muestran que estas superfulguraciones no siempre están acompañadas de eyecciones masivas de partículas cargadas y energéticas, lo cual es una suerte para nuestra civilización tecnodependiente.
De hecho, tales eyecciones podrían tener consecuencias catastróficas (ver figura 4), provocando, por ejemplo, la pérdida de satélites, cortes en las redes eléctricas, desviaciones o incluso la detención de vuelos, apagones de radio, etc.
Figura 4 - Consecuencias en la Tierra de las perturbaciones relacionadas con la actividad solar en los ámbitos del espacio (astronautas, satélites), las comunicaciones (geolocalización, radio), la aeronáutica (radiaciones) y las instalaciones eléctricas en tierra.
Crédito: ESA
Este estudio subraya, por lo tanto, la importancia de comprender mejor nuestro Sol para anticipar estos eventos extremos y limitar sus efectos. Pero esta tarea está lejos de ser fácil. La vigilancia en tiempo real de las erupciones solares solo permite una reacción limitada, ya que las partículas y radiaciones peligrosas alcanzan la Tierra en solo 8 minutos, un plazo demasiado corto para implementar contramedidas efectivas.
Por lo tanto, es indispensable desarrollar medios para anticipar los estados futuros del Sol. Para ello, los investigadores del CEA utilizan simulaciones numéricas complejas y asimilan en estos modelos datos reales capaces de reproducir estos fenómenos, una disciplina conocida como meteorología espacial. Su objetivo es estudiar los efectos de las erupciones solares en la Tierra y desarrollar estrategias para protegerse de ellas.
El Departamento de Astrofísica del IRFU en el CEA Paris-Saclay ha hecho de esto su especialidad. Con la ayuda de supercomputadoras, los investigadores simulan numéricamente el Sol y el complejo entorno entre el Sol y la Tierra, donde el viento y la magnetosfera solar interactúan (por ejemplo, proyectos Whole Sun, Stormgenesis y WindTRUST).
Estos trabajos se basan en una amplia red de observaciones continuas del Sol, gracias en parte al instrumento STIX, diseñado en parte en el CEA Paris-Saclay y embarcado en el satélite Solar Orbiter. Este instrumento proporciona valiosos datos de espectro-imagen de rayos X que permiten estudiar los procesos físicos detrás de las erupciones solares.
A partir de 2031, los investigadores también podrán contar con la sonda Vigil de la ESA (especialmente el instrumento JEDI, para el cual el CEA es co-investigador científico), que, desde un puesto de observación en el lado del Sol, monitoreará en tiempo casi real los signos precursores de fenómenos peligrosos antes de que sean visibles desde la Tierra. Finalmente, a partir de finales de 2026, el satélite Plato (ESA), digno sucesor de Kepler, para el cual el CEA tiene una contribución de hardware y científica, reforzará el estudio del Sol al permitir comparaciones estadísticas con estrellas similares.
El estudio fue publicado el 13 de diciembre de 2024 en la revista Science.