Física Solar

El Sol constituye un laboratorio de física con complejas interacciones entre su plasma, conductor eléctrico, y su fuerte campo magnético en condiciones que no pueden ser reproducidas en un laboratorio terrestre.

Está surgiendo un nuevo paradigma que plantea que la atmósfera solar está conectada mediante el campo magnético del interior solar a la corona exterior; incluye además heliosismología local detallada de las manchas solares, de las fáculas y de otras estructuras magnéticas. El grupo de Física Solar del IAC ostenta una posición preeminente en la investigación del Sol en el marco de este paradigma global, como pone de manifiesto su papel en proyectos líderes como el Telescopio Solar Europeo, la misión de la ESA Solar Orbiter o el Espectropolarímetro Cromosférico Ly-alpha de NASA-JAXA-IAC (CLASP) y su liderazgo de la red europea SOLARNET.

La experiencia investigadora del grupo lo coloca a la cabeza de la investigación internacional y en los próximos años trabajará en el estudio del proceso por el que los campos magnéticos emergen desde el interior del Sol atravesando la superficie hasta alcanzar la parte superior de la atmósfera solar, liberando en el proceso parte de su energía y generando una compleja interacción con el medio que atraviesa. La experiencia del IAC en el desarrollo de instrumentación polarimétrica (TIP & LPSP, Sunrise, EST, Solar Orbiter), en el desarrollo y la aplicación de técnicas de diagnóstico para el estudio de plasmas magnetizados y en el desarrollo de modelos tridimensionales numéricos de radiación-MHD ha convertido al equipo en uno de los más competitivos y científicamente preparados del mundo.

Objetivos:

• Desarrollar modelos tridimensionales realistas de la dinámica y los procesos radiativos de la atmósfera solar utilizando ordenadores paralelos a gran escala.
• Desarrollar nuevos métodos diagnósticos basados en la transferencia radiativa de luz polarizada.
• Realizar observaciones innovadoras desde instalaciones tanto terrestres como espaciales con una resolución espacial, una cadencia temporal y una sensibilidad polarimétrica desconocidas hasta ahora.
• Establecer un modelo de balance radiativo de la Tierra promediado a nivel global.
• Estudios observacionales y teóricos de la fotosfera solar y las manchas solares.

Resultados científicos específicos:

Magnetismo fotosférico:

• Se ha identificado la presencia de frentes de onda en espiral en las manchas solares, que parten de la zona más oscura de la mancha, denominada umbra, y se extienden hasta las regiones más externas de la penumbra. Las ondas observadas se han interpretado como una manifestación de ondas magneto-acústicas, que se propagan desde el interior solar hasta las capas atmosféricas superiores siguiendo la dirección de las líneas de campo magnético (Felipe et al. 2019, A&A).

• Desarrollo de nuevos métodos para investigar la actividad magnética a pequeña escala de la fotosfera del Sol en calma a través de los efectos Hanle y Zeeman (del Pino Alemán et al. 2018; Shchukina & Trujillo Bueno 2019, A&A).

• Primera detección de bucles fotosféricos a pequeña escala en los polos solares (Pastor Yabar et al. 2018, A&A).
• Desarrollo de un nuevo método basado en el efecto Hanle para detectar campos magnéticos globales dipolares en el Sol y en estrellas de tipo solar (Vieu et al. 2017, MNRAS).
• Khomenko et al. (2017, A&A) realizaron simulaciones numéricas en las que el efecto de pila Bierman puede actuar como semilla para generar los campos magnéticos observados en la fotosfera solar.
• Utilizando técnicas de inteligencia artificial, se ha desarrollado una red neuronal capaz de medir automáticamente el movimiento horizontal del plasma en la fotosfera solar con una resolución sin precedentes. La red neuronal es capaz de detectar vórtices muy pequeños en la atmósfera solar, de apenas unos cientos de kilómetros de diámetro, y que pueden durar menos de un minuto (Asensio Ramos et al. 2017, A&A).
• El origen de las espículas solares se descubrió combinando simulaciones e imágenes tomadas con el espectrógrafo IRIS de la NASA y el Telescopio Solar Sueco (SST) del Observatorio del Roque de los Muchachos (Martínez-Sykora et al. 2017, Science).
• Estudio sobre los últimos avances, tanto teóricos como observacionales, en las ondas que se propagan en los campos magnéticos del Sol (published in the journal Living Reviews in Solar Physics).

Procesos físicos en la cromosfera, la región de transición y la corona:

• Simulaciones numéricas de la aparición de oleadas frías que muestran que están mediadas por dos choques en forma de cuña (Nóbrega-Siverio et al. 2016, ApJ).
• Arregui et al. (2019, A&A) aplicaron la sismología bayesiana para determinar los campos magnéticos en las estructuras coronales.

• La polarización de la radiación ultravioleta del Sol se ha medido por primera vez con el instrumento CLASP (Chromospheric Lyman-Alpha SpectroPolarimeter). CLASP es un experimento internacional, surgido como resultado de la investigación teórica realizada en el IAC, y cuya importancia radica en que abre una nueva ventana para explorar el campo magnético y la geometría del plasma en la región de transición entre la cromosfera y la corona solar. Siguiendo las predicciones teóricas del grupo de física solar del IAC, el experimento espacial suborbital CLASP descubrió la polarización por dispersión en la línea Lyman-alfa del hidrógeno (Kano, Trujillo Bueno, Winebarger et al. 2017, ApJ Letters), abriendo una nueva ventana de diagnóstico para investigar la región de transición cromosfera-corona (Trujillo Bueno et al. 2017; SSR).

• Se ha realizado una investigación de transferencia radiativa sobre la sensibilidad magnética de la línea de resonancia solar de Mg II k a 2795,5 Å, que indica que esta línea es especialmente adecuada para sondear la cromosfera en regiones activas y tranquilas del Sol (Alsina Ballester et al. 2016, ApJ Letters).
• Investigaciones teóricas anteriores (Belluzzi & Trujillo Bueno 2012; ApJ Letters) y nuevas (Alsina Ballester et al. 2016; ApJ Letters) condujeron al desarrollo de CLASP2, que en 2019 observó la polarización a través de las líneas de resonancia del Mg II proporcionando información sin precedentes sobre los campos magnéticos en la cromosfera solar superior.

Campo magnético en estructuras cromosféricas y de la región de transición:

• Desarrollo de un nuevo código de inversión general para tratar las líneas muy intensas observadas con el SST e IRIS (de la Cruz Rodríguez et al. 2016, ApJL).
• Martínez González et al. (2016, ApJ) mostraron que las "patas" de las prominencias albergan campos helicoidales verticales con variaciones temporales lentas.
• Khomenko et al. (2016, ApJ) detectaron derivas entre especies ionizadas y neutras en las prominencias solares, lo que apunta a la presencia de efectos de fluidos múltiples en la cromosfera solar.
• Grant et al. (2018, Nature Physics) proporcionaron la primera evidencia observacional de que las ondas Alfvén calientan el plasma cromosférico en la umbra de una mancha solar.
• El modelado de transferencia radiativa en 3D de observaciones espectropolarimétricas Lyman-alfa sin precedentes obtenidas con CLASP proporcionó restricciones sobre el campo magnético y la complejidad geométrica de la capa ondulada que delinea la región de transición cromosfera-corona (Trujillo Bueno et al. 2018, ApJ Letters).

Códigos de inversión y "deep learning":

• Del Toro Iniesta & Ruiz Cobo (2016, LRSP) revisaron el campo de la inversión de la ecuación de transferencia radiativa donde el IAC está a la vanguardia de la investigación.
• Asensio Ramos & Díaz Baso (2019, A&A) desarrollaron redes neuronales convolucionales para una inversión muy rápida de perfiles de Stokes.
• Díaz Baso & Asensio Ramos (2018, A&A) produjeron un método para mejorar las imágenes de SDO/HMI utilizando el deep learning.

Resultados previos (2012 - 2015)