El ibicenco Juan Martínez-Sykora, miembro del equipo que ha creado el primer modelo computacional que simula la evolución de las llamaradas solares

@LauraFArambarri/ Un equipo de científicos, entre los que está involucrado el ibicenco Juan Martínez-Sykora (uno de los dos científicos españoles implicados), ha empleado por primera vez en la historia un modelo computacional numérico que simula la completa evolución de una llamarada solar. Este trabajo es de tal importancia que ha sido publicado en ‘Nature Astronomy’ y la noticia ha sido difundida por la NASA (National Aeronautics and Space Administration) y el NCAR (National Center for Atmospheric Research).

El estudio de estas erupciones y la oportunidad de analizar sus comportamientos a través de modelos numéricos es de vital importancia, ya que estas llamaradas pueden impactar en la Tierra de manera importante produciendo auroras boreales, interrumpiendo el suministro de redes eléctricas y de comunicación, además de dañar satélites y poner en peligro a los astronautas que trabajan en estaciones espaciales.  La nueva simulación completa la formación de una llamarada solar de una manera más realista que los intentos anteriores, e incluye el espectro de emisiones de luz que se sabe que están asociadas con las llamaradas.

El ibicenco Martínez-Sykora, hijo de la reconocida profesora de piano Vera Sykora, vive desde hace casi diez años en San Francisco (California) donde trabaja en el Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory (LMSAL) y en el Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), que forman parte de estudios financiados por la NASA.

Entender las manchas solares
Martínez-Sykora explica la importancia del modelo que han creado: “Cuando se produce una llamarada se libera una cantidad enorme de energía tanto térmica, magnética como cinética. Esta última se produce en forma de partículas altamente aceleradas a velocidades próximas a la de luz, y a veces algunas de estas impactan en la atmósfera de la Tierra. La simulación de la evolución de la llamarada y erupción de la misma comprende desde el momento en el que se eleva el campo magnético desde una profundidad de varios miles de kilómetros por debajo de la superficie solar, pasando por la acumulación de energía magnética en dicha superficie, la expansión del campo magnético hacia la atmósfera externa del Sol y, finalmente, a la liberación explosiva de energía en forma de una brillante llamarada”.

El científico ibicenco remarca que este trabajo es de suma importancia para entender la aparición de las manchas solares circulares y como, a veces, estas manchas producen llamaradas o eyecciones de masa coronal que pueden alcanzar los 3.000 kilómetros por segundo y transportar masas equiparables o superiores a la monte Everest (3×10¹² kg).  “Lógicamente, la física que se desarrolla en la evolución y liberación de energía es imposible realizarla en los laboratorios, de ahí la gran importancia de lograr una simulación con un modelo computacional”, puntualiza.

Doctorado en Oslo con la beca Marie Curie
Martínez-Sykora es una eminencia en este campo en gran parte gracias a que logró la beca Marie Curie para doctorarse en la Universidad de Oslo, en el prestigioso Institutt For Teoretisk Astrofysikk. Su paso por esta institución le permitió dominar, modificar y adaptar un código numérico que está en la vanguardia internacional y que le ha permitido tener un puesto prácticamente fijo en el LMSAL y trabajar para la NASA.

La investigación ha sido dirigida por el Doctor Mark Cheung, de Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory (LMSAL) y por el Dr. Matthias Rempel de NCAR. El estudio ha sido subvencionado por la NASA a través del programa ‘Heliophysics Grand Challenges Research opportunity’.  Ha sido posible gracias a una colaboración de gran envergadura, que ha involucrado a varios institutos de investigación y universidades y en la que han tomado parte dos investigadores españoles que trabajan para el conjunto LMSAL: el ya mencionado Doctor Juan Martínez-Sykora y el Doctor A. Sainz Dalda de Madrid.

El experimento numérico comprende diferentes regiones de la atmósfera solar, y captura la complejidad y el comportamiento físico que es especifico en cada una de estas regiones.

Un modelo que incluye la radiación
Así, el modelo numérico abarca por una parte, los últimos 10.000 kilómetros de la zona de convección, la región solar donde la energía es transportada hacia la superficie en forma de movimientos convectivos, es decir, similares a los que se registra en el proceso de hervir agua, hasta que dicha energía alcanza la superficie solar, relata el científico ibicenco. “El modelo abarca también la superficie solar donde una gran cantidad de energía es liberada en forma de radiación hacia la corona, que sería la tercera región, y que se refiere a las capas exteriores de la atmósfera solar hasta alcanzar los 40.000 kilómetros. La corona llega a alcanzar temperaturas de un millón de grados centígrados”, explica Martínez-Sykora.

La complejidad de este modelo radica en el hecho de que incluye los procesos físicos más relevantes como la radiación o la conducción térmica, pero además resuelve la gran variedad de diferencias en temperaturas, densidades y presión y otras características que se producen en estas regiones del Sol.

Para simular con éxito una llamarada solar desde la aparición hasta la liberación de energía, los científicos necesitaron agregar ecuaciones detalladas al modelo que permitieran demostrar de una manera realista cada región que contribuye a la evolución de la llamarada solar. Pero también tenían que tener cuidado de no hacer el modelo tan complicado que ya no fuese práctico ejecutarlo con los recursos de supercomputación disponibles.

Soluciones innovadoras para no perder precisión
Para disponer de una computación eficiente para desarrollar el modelo sin perder fiabilidad y precisión, los procesos físicos incluidos en el modelo fueron introducidos utilizando técnicas novedosas: “Tenemos un modelo que abarca una gran variedad de condiciones físicas diferentes, que lo convierten en un gran reto”, afirma el científico de NCAR Matthias Rempel. “Conseguir este tipo de realismo requiere soluciones innovadoras”, subraya el científico, uno de los directores del estudio.

“Este trabajo nos permite proporcionar una explicación de por qué las llamaradas se ven como se ven, no solo en una única longitud de onda, sino en longitudes de onda visibles, en longitudes de onda ultravioleta y ultravioleta extrema, y ​​en rayos X”, añade Mark Cheung. “El modelo está explicando los muchos colores de las llamaradas solares”, apunta.

Estudios previos sobre la misma materia habían empleado modelos menos complejos, así que ahora los investigadores necesitaban que los modelos se aproximasen al máximo a los instantes previos a cuando se libera la energía para lograr producir la llamarada.

La energía de un billón de bombas de hidrógeno
El equipo buscó un modelo que generase la llamarada por sí mismo. Empezaron trabajando desde un escenario con condiciones inspiradas en las que se detectaron en una región activa en el sol observada en el mes de marzo del 2014. Entonces, las manchas produjeron docenas de llamaradas durante el tiempo que fue visible incluyendo una súper poderosa (denominada de clase X) que pueden producir tanta energía como un billón de bombas de hidrógeno.  Los científicos no intentaron reproducir con exactitud dicha región activa, pero, de forma aproximada, introdujeron los mismos parámetros (ingredientes) que estuvieron presentes en esos momentos. Es decir, aquellos ingredientes que fueron tan efectivos como para producir las llamaradas. Por lo que recrearon un nuevo campo magnético desde el  borde inferior del dominio numérico y lo dejaron subir por las leyes que gobiernan dichas regiones independientemente. Este experimento numérico fue capaz de capturar el proceso entero,  desde la subida del campo magnético a través de las capas superiores de la zona de convección, a acumularse en la superficie, y desprenderse y expandirse en la corona. Una  vez en la corona, la emergencia del campo magnético la excita liberando la energía magnética que forma la llamarada solar.

Al incluir, por primera vez, las pérdidas de energía por radiación y la conducción térmica —entre otros procesos físicos en la simulación de la llamarada— los científicos pudieron sintetizar observaciones que permiten la comparación con observaciones, ayudar a interpretar estas últimas y validar el modelo. Algo que no se podía hacer antes.

Un paso de gigante en el estudio de las llamaradas solares
La exitosa simulación numérica de la evolución completa de una llamarada solar ha permitido a los investigadores dar un paso agigantado para entender la física y evolución desde la emergencia del campo magnético hasta la liberación de la energía en forma de llamarada e interpretar así las complejas observaciones.

Ahora que el modelo ha demostrado que es capaz de simular de manera realista el ciclo de vida completo de una llamarada, los científicos lo probarán con observaciones del Sol y verán si puede simular con éxito lo que realmente ocurre en la superficie solar.

El título completo del artículo que aparece en Nature Astronomy es ‘A comprehensive three-dimensional radiative magnetohydrodynamic simulation of a solar flare’ y los autores son M. C. M. Cheung, M. Rempel, G. Chintzoglou, F. Chen, P. Testa, J. Martínez-Sykora, A. Sainz Dalda, M. L. DeRosa, A. Malanushenko, V. Hansteen, B. De Pontieu, M. Carlsson, B. Gudiksen, and S. W. McIntosh