Mucho, mucho más allá de las órbitas de los planetas se encuentran los contornos borrosos de la burbuja magnética en el espacio que llamamos hogar.
Esta es la heliosfera, la gran burbuja que genera el campo magnético del Sol y envuelve a todos los planetas. Los bordes de esta burbuja cósmica no son fijos. En respuesta a las bocanadas y suspiros del Sol, se encogen y se estiran con los años.
Ahora, por primera vez, los científicos han utilizado un ciclo solar completo de datos de la nave espacial IBEX de la NASA para estudiar cómo cambia la heliosfera con el tiempo. Los ciclos solares duran aproximadamente 11 años, a medida que el Sol cambia de temporadas de actividad alta a baja, y vuelve a la alta nuevamente. Con el largo historial de IBEX, los científicos estaban ansiosos por examinar cómo se desarrollan los cambios de humor del Sol en el borde de la heliosfera. Los resultados muestran la heliosfera externa cambiante con gran detalle, dibujan hábilmente la forma de la heliosfera (un tema de debate en los últimos años) y dan pistas sobre los procesos detrás de una de sus características más desconcertantes. Estos hallazgos, junto con un conjunto de datos recién ajustados, se publican en The Astrophysical Journal Supplements el 10 de junio de 2020.
IBEX ha estado observando el límite del espacio interestelar durante más de 11 años, mostrándonos dónde encaja nuestro vecindario cósmico con el resto de la galaxia. «Es una misión muy pequeña», dijo David McComas, el investigador principal de la misión en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. IBEX es tan grande como un neumático de autobús. «Ha sido enormemente exitoso, durando mucho más de lo que nadie había previsto. Ahora tenemos la suerte de tener todo un ciclo solar de observaciones».
La heliosfera se llena con el viento solar, el flujo constante de partículas cargadas del Sol. El viento solar se precipita en todas las direcciones, a un millón de millas por hora, hasta que choca contra el medio interestelar, vientos de otras estrellas que llenan el espacio entre ellos.
A medida que el Sol atraviesa el medio interestelar, genera una ola caliente y densa, muy parecida a la ola en la parte delantera de un barco que atraviesa el mar. Nuestro vecindario cósmico se llama Nube Interestelar Local o Local Fluff, por la nube de gases supercalientes que florece a nuestro alrededor. Donde el viento solar y la nube local se unen forma el borde de la heliosfera, llamada heliopausa. Justo dentro de eso se encuentra una región turbulenta llamada heliofunda.
Las partículas llamadas átomos neutros energéticos, o ENAs, que se forman en esta región distante del espacio son el foco de los estudios de IBEX. Se crean cuando partículas calientes y cargadas como las del viento solar chocan con neutros fríos como los que fluyen desde el espacio interestelar. Las partículas del viento solar pueden atrapar electrones de los átomos interestelares pesados, volviéndose neutros.
El viaje de estas partículas comienza mucho antes de que IBEX las detecte. Más allá de los planetas, más allá del cinturón de asteroides y el Cinturón de Kuiper, hasta el borde de la heliosfera, la ráfaga de viento solar tarda aproximadamente un año en correr 100 veces la distancia entre el Sol y la Tierra. En el camino, el viento solar recoge átomos ionizados de gases interestelares que se han introducido en la heliosfera. El viento solar que llega al borde no es el mismo viento que dejó el Sol un año antes.
Las partículas del viento solar podrían pasar otros seis meses deambulando por el caos de heliofunda, el abismo entre los dos límites exteriores de la heliosfera. Inevitablemente, algunos chocan con gases interestelares y se convierten en neutros energéticos. Las partículas neutras tardan cerca de otro año en el viaje de regreso, atravesando el espacio desde el borde de la heliosfera para llegar a IBEX, si las partículas se dirigían precisamente en la dirección correcta. De todas las partículas neutras formadas, solo unas pocas llegan a IBEX. El viaje completo dura de dos a tres años para las partículas de mayor energía en el rango de observación de IBEX, y aún más en energías más bajas o regiones más distantes.
IBEX aprovecha el hecho de que los átomos neutros como estos no son desviados por el campo magnético del Sol: partículas neutras frescas unidas lejos de las colisiones en casi una línea recta.
IBEX examina los cielos en busca de partículas, observando su dirección y energía. La nave espacial solo detecta aproximadamente uno cada dos segundos. El resultado es un mapa del límite interestelar, elaborado a partir del mismo principio que utiliza un murciélago para ecolocalizarse a lo largo de la noche: monitorear una señal entrante para aprender más sobre los alrededores. Al estudiar de dónde provienen los neutros y cuándo, IBEX puede rastrear los límites remotos de nuestra heliosfera.
«Somos muy afortunados de observar esto desde el interior de la heliosfera», dijo Justyna Sokol, científica visitante del equipo de Princeton. “Estos son procesos que ocurren a distancias muy pequeñas. Cuando observas otras estrellas que están muy lejos, observas distancias de años luz, desde fuera de sus astrosferas». Incluso la distancia entre el Sol y la punta de la heliosfera es pequeña en comparación con muchos, muchos años luz.
Utilizando los datos de más de 11 años de IBEX, McComas y su equipo pudieron estudiar los cambios que evolucionan con el tiempo y son clave para comprender nuestro lugar en el espacio.
El viento solar es constante, pero el viento no es estable. Cuando el viento sopla, la heliosfera se infla como un globo, y las partículas neutrales surgen en las franjas exteriores. Cuando el viento se calma, el globo se contrae; las partículas neutras disminuyen. La consiguiente oscilación de partículas neutras, informaron los científicos, se hizo eco constantemente de dos a tres años después de los cambios en el viento, lo que refleja su viaje hacia el borde de esta burbuja y de regreso.
De 2009 a 2014, el viento soplaba bastante bajo y constante, una brisa suave. La heliosfera se contrajo. Luego llegó una sorpresa en el viento solar, como si el Sol lanzara un gran suspiro. A finales de 2014, una nave espacial de la NASA en órbita alrededor de la Tierra detectó el aumento de la presión del viento solar en aproximadamente un 50% (desde entonces se ha mantenido alto durante varios años).
Dos años más tarde, el viento solar ondulante provocó una ráfaga de partículas neutras en la heliofunda. Otros dos años después, llenaron la mayor parte de la punta de la heliosfera. Finalmente, se alzaron sobre los polos norte y sur de la heliosfera.
Estos cambios no fueron simétricos. Cada golpe observado trazó las peculiaridades de la forma de la heliosfera. Los científicos se sorprendieron de cuán claramente vieron la marea del viento solar empujando la heliopausa.
«El tiempo y las partículas neutrales realmente han pintado las distancias en la forma de la heliosfera para nosotros», dijo McComas.
IBEX todavía no ha observado los efectos de este golpe cósmico desde el extremo posterior de la heliosfera, la heliocola. Eso significa que el extremo de la cola está mucho más lejos del Sol que el frente; esas partículas están en un viaje mucho más largo. Tal vez la marejada eólica solar todavía se precipita hacia la cola, o tal vez las partículas neutras ya están regresando. En los próximos años, el equipo de IBEX estará atento a las señales de su regreso de la cola.
«La naturaleza creó este experimento perfecto para que entendamos mejor este límite», dijo Szalay. «Tenemos que ver qué sucede cuando esta gran cosa, el impulso del viento solar, cambie».
En general, esto pinta una imagen de la heliosfera con forma de cometa. La forma de la heliosfera ha sido un tema de debate en los últimos años. Algunos han argumentado que nuestra burbuja en el espacio es esférica como un globo; otros sugirieron que está más cerca de un cruasán. Pero en este estudio, dijo McComas, los datos del IBEX muestran claramente que la respuesta de la heliosfera al impulso del viento solar fue asimétrica, por lo que la propia heliosfera también debe ser asimétrica. El Sol está situado cerca del frente, y cuando el Sol se precipita por el espacio, la heliocola se arrastra mucho más atrás, algo así como la cola rayada de un cometa.
Los muchos años de datos de IBEX también han acercado a los científicos a una explicación de una de las características más desconcertantes de la heliosfera, conocida como la franja IBEX. La franja sigue siendo uno de los mayores descubrimientos de IBEX. Anunciado en 2009, se refiere a una vasta franja diagonal de neutros energéticos, pintados en el frente de la heliosfera. Hace mucho que los científicos están desconcertados: ¿por qué una parte del límite debería ser tan diferente del resto?
Con el tiempo, IBEX ha indicado que lo que forma la franja es muy diferente de lo que forma el resto del cielo interestelar. Está conformada por la dirección del campo magnético interestelar. Pero, ¿cómo se producen las partículas de la franja? Ahora, los científicos informan que es muy probable que un proceso secundario sea responsable, lo que hace que el viaje de un cierto grupo de partículas energéticas neutras se duplique aproximadamente.
Después de convertirse en neutrales energéticos, en lugar de rebotar hacia IBEX, este grupo de partículas salen disparadas en dirección opuesta, a través de la heliopausa y hacia el espacio interestelar. Allí, se toparían con la Nube Interestelar Local, navegando hasta que algunos chocaran inevitablemente con partículas cargadas que pasaran, perdiendo un electrón una vez más y quedando atados al campo magnético circundante.
Pasan otros dos años más o menos, y las partículas cargadas pueden chocar una vez más con pares más lentos, robando electrones como lo han hecho antes. Después de esta breve migración más allá de la heliosfera, los neutrales energéticos nacidos dos veces podrían eventualmente volver a entrar y regresar a casa.
Los datos extendidos de IBEX ayudaron a los científicos a conectar la franja con el largo recorrido interestelar de las partículas. Las partículas que forman la franja han viajado unos dos años más que el resto de las partículas neutras observadas. Cuando se trataba del pico del viento solar, la franja tardó otros dos años después del resto de la heliosfera para comenzar a responder.
Superando por mucho su misión inicial de dos años, IBEX pronto se unirá a otra misión de la NASA, IMAP, para la cual McComas también sirve como investigador principal. El lanzamiento de la misión está programado para fines de 2024.
«IMAP presenta una oportunidad perfecta para estudiar, con gran resolución y sensibilidad lo que IBEX ha comenzado a mostrarnos, para que realmente obtengamos una comprensión detallada de la física», dijo McComas.
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