Misión MMS de la NASA. La reconexión magnética en el plasma

sondas-MMSLa Misión MMS (Magnetospheric MultiScale) de la NASA se propone investigar la manera en la que los campos magnéticos de la Tierra y del Sol se conectan y desconectan entre sí, transfiriéndose energía de forma explosiva en un importante proceso que tiene lugar en el Sol, en otros planetas y en cualquier lugar del Universo y que es conocido como “reconexión magnética”. La misión MMS utilizará la magnotesfera de la Tierra como un auténtico laboratorio para estudiar la microfísica de los tres procesos fundamentales del plasma eléctrico:

  1. Reconexión magnética
  2. Aceleración de partículas energéticas
  3. Turbulencia

Estos procesos tienen lugar en cualquier sistema astrofísico de plasma, si bien pueden ser estudiados in situ solamente en nuestro Sistema Solar y, de manera más eficiente, en la magnetosfera de la Tierra, en la que controlan la dinámica del entorno geoespacial y juegan un papel importante en el proceso conocido como el “clima espacial”, que afecta a nuestros modernos sistemas tecnológicos como redes de telecomunicaciones, navegación GPS y redes eléctricas.

Cuatro sondas espaciales idénticas en una órbita semi-ecuatorial, y equipadas con numerosaLas 4 sondas de la misión MMS apiladas instrumentación, medirán plasmas, campos y partículas con el propósito de captar y estudiar la reconexión. La fecha prevista de lanzamiento, desde Cabo Cañaveral, y puesta en órbita de las cuatro sondas es marzo de 2015. Se utilizará un cohete ATLAS V421 con un motor Centaur.

La misión MMS revelará por primera vez la estructura y dinámica tridimensional a pequeña escala de la esquiva y fina región de difusión de electrones de alta velocidad. Lo realizará en dos de las regiones clave de reconexión cercanas a la Tierra, en las que se originan los fenómenos más energéticos: la zona diurna y la zona nocturna de la magnetosfera terrestre.

Las cuatro sondas idénticas MMS con instrumentos de medición volarán en formación piramidal ajustable que les permitirá observar la estructura tridimensional de la reconexión magnética. Los sensores MMS medirán la velocidad de las partículas cargadas así como los campos eléctricos y magnéticos con una resolución y precisión sin precedentes, necesarias para capturar la zona de difusión de electrones de alta velocidad.

Comprendiendo la reconexión magnética

En primer lugar hay que decir que es algo que no se produce a nuestro alrededor, ni siquiera en ningún lugar de nuestro planeta. Las magnitudes de intensidad magnética y energías involucradas en este proceso son tan enormes que hacen complicada una “visualización” o entendimiento del fenómeno. Pero voy a intentar explicarlo a continuación.

Debido a la alta conductividad del plasma solar y de la rotación diferencial el Sol (rota a diferentes velocidades según la latitud), éste genera enormes campos magnéticos mediante un complejo mecanismo que aún no se ha logrado descifrar por completo.

Líneas de campo magnético en un imánLos campos magnéticos pueden visualizarse mediante “líneas de fuerza magnética”, como las que podemos ver dibujadas en los libros de texto de física básica, con líneas saliendo de uno de los polos de un imán y uniéndose en forma de arco con el otro polo magnético de polaridad opuesta. Líneas muy cercanas entre sí visualizan fuertes campos magnéticos, mientras que líneas muy separadas indican que el campo es débil. Es importante resaltar que las leyes del electromagnetismo aplicadas a un plasma que es un excelente conductor de la electricidad implican que los campos magnéticos del Sol se ven atrapados por su propio plasma y son arrastrados a medida que éste se mueve hacia arriba y hacia abajo en la llamada “zona de convección”, situada bajo la superficie visible del Sol. Es como si tuviésemos espaguetis cocinados sumergidos en miel y sometidos por completo a los movimientos del fluido.

Los campos magnéticos emergen en la superficie del Sol de una forma filamentosa, altamente intermitente y con frecuencia con las dos polaridades magnéticas separadas por distancias espaciales tan pequeñas que no podemos resolver con los telescopios actuales (cuyo límite de resolución es de unos 300 km sobre la superficie del Sol).

Simulación en 3D de las líneas de campo magnético del Sol

Imagen en 3D correspondiente a una simulación simplificada de las líneas de campo magnético en el Sol, en base a los datos recogidos por las sondas espaciales que lo estudian. Hay que observar la infinidad de bucles que se forman en su superficie. Crédito: NASA

Estos filamentos magnéticos se encuentran en un estado altamente dinámico causado precisamente por los movimientos turbulentos del plasma de la zona de convección del plasma. Cuando conjuntos de líneas de campo magnético de polaridad magnética opuesta entran en contacto en la atmósfera del Sol tiene lugar un catastrófico proceso de disipación de energía. Tales procesos, denominados reconexión magnética, pueden llegar a ser muy violentos y conllevan con frecuencia la eyección en el medio interplanetario de partículas cargadas (electrones y protones) a grandes velocidades.

El viento solar llega a la Tierra. ¿Cómo se producen las auroras polares?
Hasta ahora se creía que simplemente las partículas del viento solar las producen, pero ya se conoce un fenómeno adicional que interviene en su aparición. Se trata de la reconexión magnética. El fuerte viento solar crea unos campos magnéticos que deforman las líneas de campo magnético de nuestra magnetosfera, de tal forma que al aproximarse tanto producen una subtormenta magnetosférica y una liberación de energía en el plasma circundante, que rápidamente se libera a lo largo de las líneas de campo magnético, llegando de nuevo a los polos de la Tierra y provocando la aparición de las auroras.

 

En algunas ocasiones tienen lugar impresionantes erupciones de masa (CME) en las que billones de toneladas de plasma coronal son expulsadas al espacio, lo que constituye una seria amenaza para los astronautas en misiones espaciales y para los satélites artificiales en órbita alrededor de la Tierra.

Reconexión magnética en el Sol
Video de una llamarada solar de tipo X, la clasificación más alta posible (energía de rayos X). Lo importante de esta secuencia es observar cómo el bucle de líneas magnéticas intrincadas va aumentando su energía hasta que finalmente “explota”, produciendo una fulgurante llamarada 35 veces el tamaño de la Tierra, y que derivó en una CME (eyección de masa coronal)

 

Sin embargo sólo tenemos una idea general de por qué se producen estos y otros fenómenos explosivos en el Sol. Sólo podemos decir con seguridad que se deben a la acción de los campos magnéticos, los cuales se generan en todos los plasmas astrofísicos en rotación, pero queda aun mucho por investigar y descubrir.

Por esta razón, la NASA ha creado la misión MMS. Evidentemente no pueden ser enviadas a la corona solar, pero sí se utilizará la órbita terrestre como laboratorio para analizar detalladamente la intereacción entre las líneas de campo magnético terrestre y las solares.

[ Fuentes consultadas: Misión MMS-NASA, Magnetismo Solar: la clave para descifrar los enigmas del Sol ]

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