¿COMO SUENA EL SOL?
Una nueva ciencia de una vieja ciencia

No hace mucho tiempo atrás el interior del Sol era impenetrable. Esos tiempos terminaron abruptamente cuando en 1962 un extraño fenómeno se detectó en la superficie solar. Un equipo de astrónomos observó que algunas zonas en la superficie de la estrella se movían “hacia arriba” y “hacia abajo”. Más sorprendente aún, el movimiento de esas zonas era constante y rítmico, con una clara frecuencia de oscilación de 5 minutos. Rápidamente esos movimientos se bautizaron como “oscilaciones de cinco minutos”, y con su descubrimiento se abrió una nueva e insospechada ventana para mejorar la compresión del interior solar. Durante la década de los setenta se llegó a la conclusión de que el fenómeno de las oscilaciones se podía encontrar en toda la superficie del Sol, y que ese movimiento superficial observado era la consecuencia de ondas sónicas resonantes provenientes del interior del Sol. En los años ochenta del siglo XX un nuevo término, heliosismología, comenzó a ser usado por científicos como Deubner y Gouch, quienes determinaron que esas oscilaciones podrían ser usadas para diagnosticar el interior solar. Desde entonces, nuestra manera de estudiar el Sol cambió para siempre.

¿Cómo se pueden usar esas ondas para estudiar el interior de una estrella? La respuesta está en una conocida ciencia terrestre. Tal como sucede en nuestro planeta, donde los geólogos pueden analizar ondas sísmicas para inferir la estructura interior de la Tierra, los astrónomos rápidamente concluyeron que podían utilizar las recientemente descubiertas ondas solares para analizar tanto el interior como los procesos internos del Sol. En términos simples, es como cuando la gente prueba si una sandía está madura. Se le dan golpecitos y se escucha. Según como suena, se sabe como está por dentro.
La heliosismología estudia el comportamiento de millones de diferentes ondas generadas por turbulencia en la zona de convección solar y que se desplazan a través del medio solar. El fenómeno de convección que existe cerca de la superficie genera flujos turbulentos, los que a su vez producen millones de distintos modos regulares de oscilación, el llamado ruido acústico.

No se debe olvidar que el Sol es básicamente una enorme bola de gas caliente, y que las ondas sónicas se transmiten bastante bien en ese medio, tal como son transmitidas en la atmósfera gaseosa de la Tierra. Adicionalmente, la forma esférica, sumada a las zonas de gran variación de presión que existen cerca de la superficie del Sol y al aumento progresivo de la velocidad del sonido en el medio solar, provocan un efecto de caja de resonancia, atrapando las ondas en una región limitada. El efecto es semejante al que se produce en una piscina cuando las ondas chocan con el borde y rebotan hacia el área central. Así se forman nuevas ondas, algunas veces estables, llamadas ondas acústicas resonantes. La mayor parte del “ruido” está en el rango sub-audible por lo que no “escucharíamos” las ondas, aunque pudiéramos acercarnos al Sol. El Sol tintinea como una gran campana luminosa cargada de ondas.

Existen distintos tipos de ondas en el Sol. Básicamente se puede hablar de ondas “acústicas”, “de gravedad” y “ondas de gravedad superficiales” (cuidado con confundir a las ondas “de gravedad” con las ondas “gravitacionales”, son cosas diferentes como se explica más adelante). Las ondas acústicas son las más comunes, y corresponden a las “oscilaciones de cinco minutos” observadas desde 1962. Se generan por acción de la presión y su dinámica está asociada con la variación de la velocidad del sonido en el interior del Sol. Las “ondas de gravedad” corresponden a un fenómeno hidrodinámico, según el cual el medio solar se mueve entre zonas de distinta densidad, y es restaurado a cierta posición por acción de la gravedad. Las ondas de gravedad superficiales son semejantes a las anteriores, pero debieran encontrarse cerca de la fotosfera. Ni las ondas gravitatorias ni las gravitatorias superficiales han sido detectadas de manera concluyente.

La heliosismología puede dividirse en dos tipos, la heliosismología global y la local. La heliosismología global estudia las oscilaciones resonantes en el Sol como un todo, y presenta algunas limitaciones para analizar fenómenos particulares. Por otro lado, en los últimos años se ha desarrollado la heliosismología local, la que mediante nuevas técnicas permite analizar las propiedades de un sector específico en el Sol. Estas técnicas, como holografía acústica o heliosismología tiempo-distancia, permiten estudiar fenómenos como la generación de manchas solares o los flujos de plasma. Así, hoy es posible dar explicación respuestas tanto a fenómenos particulares como generales del Sol. La heliosismología, por lo tanto, puede redefinirse como un complejo y rico set de técnicas de análisis de datos para analizar ondas solares.

La principal ventaja de estudiar el Sol utilizando ondas es que las ondas son un fenómeno visualmente detectable y medible. Las oscilaciones acústicas se detectan en imágenes solares y pueden ser analizadas como desplazamientos Dopler de líneas del espectro. Esto significa que el movimiento de una fuente única puede ser calculado comparando las líneas de emisión o absorción en su espectro, contra las líneas de una fuente similar en reposo. Este desplazamiento es llamado efecto Doppler, y su formula relaciona la cantidad de desplazamiento con la velocidad de la fuente emisora.

Como es sabido, la observación astronómica en la Tierra esta limitada por factores como la contaminación lumínica de las ciudades, la turbulencia atmosférica o el ciclo de día y noche, lo que hace imposible tener mediciones constantes de una estrella o del Sol. Así que, como lo probó el telescopio Hubble, para aumentar la precisión observacional, los instrumentos de medición deben ser enviados al espacio.

En 1995 la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA lanzaron un proyecto conjunto llamado Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) como parte del Programa de Ciencia Solar Terrestre (STSP). Este programa incluía un grupo de misiones y satélites destinados a monitorear y estudiar la influencia del Sol en la Tierra. La misión principal de SOHO es convertirse en una plataforma constante para monitorear y medir el comportamiento del Sol. Entre otras cosas, SOHO genera constantemente millones de imágenes de la superficie solar, las que pueden ser analizadas usando técnicas heliosimológicas.
Adicionalmente, un nuevo satélite solar fue lanzado en Septiembre del 2006. El Hinode (originalmente llamado Solar-B) es otra misión conjunta ahora entre NASA y la Agencia Espacial Japonesa que está entregando imágenes de alta resolución para estudios heliosismológicos y el clima solar.

Aplicaciones de la Heliosismología.

La cantidad de información que puede obtenerse usando técnicas heliosismológicas es enorme. Cuando se dispone de un espectro de oscilaciones suficientemente rico es relativamente simple relacionar esos datos con las propiedades del interior del Sol, como la profundidad de la zona de convección, dato que es considerado el primer resultado realmente importante de la heliosismología. Técnicas sísmicas han sido usadas para establecer que las zonas convectivas interior y exterior del Sol rotan a diferente velocidad, generando de esta forma los campos magnéticos solares, o para detectar actividad solar tal como manchas o flujos jet.
Otra aplicación de la heliosismología se relaciona con la medición de la abundancia de Helio. La abundancia o cantidad de Helio en el Sol no puede ser medida con exactitud espectroscópicamente, y es fundamental conocer su valor exacto para el estudio de la nucleosíntesis galáctica. Afortunadamente, análisis sísmicos inversos del Sol se pueden usar para estimarla, y con eso obtener la edad sísmica del Sol. Por otra parte, abundancia de elementos pesados también puede ser cuantificada con técnicas sísmicas, sin usar espectroscopia.

Algunos problemas conceptuales complejos, como el problema de la perdida de neutrinos o el cálculo del valor de G, pueden ser estudiados a partir de las ondas. Por ejemplo, uno de los valores clásicos de la física, la constante gravitatoria de Newton (G), puede al menos ser aproximadamente calculado usando técnicas sísmicas. Aún no hay suficiente precisión en las técnicas heliosismológicas para obtener mejores valores que en experimentos de laboratorio, pero hay un avance
Otra área de uso de la heliosismología es la predicción de los ciclos de actividad solar. Mejores predicciones pueden ayudar a minimizar el impacto de la actividad solar en las comunicaciones y en la seguridad de los astronautas.
Mucho del actual trabajo de la heliosismología apunta al estudio de los campos magnéticos solares, ya que las ondas acústicas son parcialmente transformadas en ondas magnéticas. Está naciendo la magnetoheliosismología, la que nos entregará información sobre procesos como el calentamiento coronario solar.

La información que puede ser obtenida por técnicas sísmicas es enorme. Constantemente, nuevos enfoques y técnicas se desarrollan para aumentar la precisión en el testeo de variables y teorías astronómicas. Nuevas misiones espaciales están entregando gigantesca cantidad de datos. Yendo un paso más adelante, el mismo enfoque heliosismológico usado para entender nuestro Sol está comenzando a ser usado para estudiar estrellas distantes. La asterosismología usa variaciones medibles en la velocidad radial de las estrellas para identificar su estructura y propiedades. Estas medidas pueden ser tomadas por los más grandes telescopios actuales, los cuales generalmente no son usados para analizar las estrellas más brillantes. Este concepto puede no parece nada nuevo par los astrónomos solares, pero es una revolución para los astrónomos estelares. En un futuro próximo, la heliosismología será probablemente considerada solo un caso particular de la asterosismología.

Finalmente, debemos siempre recordar que aunque el Sol sea solamente una simple estrella más, es el mejor laboratorio que tenemos para probar nuestro conocimiento de las estructuras estelares y sus procesos. El avance astronómico logrado en los últimos 30 años usando heliosismología es impresionante, y esta nueva ciencia puede ser considerada una revolución astronómica, comparable con el análisis espectroscópico estelar de Huggins de finales del siglo XIX.

Pero, entonces, ¿cómo suena el Sol?

La respuesta es simple. Suena como una sinfonía de un millón de instrumentos, lista para entregarnos los secretos escritos en las bellas y complejas partituras. Sólo debemos escuchar con cuidado.

Para leer/saber más:

Heliosismología:

Roca, T. “Los Sonidos del Sol”, disponible en:
http://www.iac.es/gabinete/difus/ciencia/soltierra/11.htm

Kosovichev, A. (2006); “Helioseismology”, Dissertatio Cum Nuncio Siderio III, Issue Number Two, IAU Conference, Prague, 2006.

Christensen-Dalsgaard, J. (2004); “An introduction to solar oscillations and helioseismology”, AIP Conference Proceedings, Vol. 731, pp 18-46, October.

Deubner, F., Gough, D. (1984); “Helioseismology: Oscillations as a Diagnostic of the Solar Interior”, Annual Reviews on Astronomy and Astrophysics, Vol. 22, pp 593-619.

Aplicaciones:

Antia, H.M., Basu, S. (2006); “Determining Solar Abundances Using Helioseismology”, The Astrophysical Journal, Vol. 644, pp.1292-1298, June 20.

Christensen-Dalsgaard, J., Di Mauro, M.P., Schlattl, H, Weiss, A., (2005); “On helioseismic tests of basic physics”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 356, pp. 587-595.

Magnetoheliosismología:

Cally, P.S. (2005); “Local magnetohelioseismology of active regions”, Montly Notices of the Royal Astronomy Society, Vol. 358, pp. 353-362.

Asterosismología:

Kurtz, D.W. (2005); “Asteroseismology: Past, Present and Future”, Journal of Astrophysics and Astronomy, Vol. 26, pp. 123-138.