El mayor telescopio solar del planeta, el Daniel K. Inouye, ha conseguido registrar vórtices de plasma en la superficie del Sol, un fenómeno que, aunque predicho por la ciencia, era invisible hasta ahora debido a su diminuto tamaño. Este descubrimiento, realizado el 14 de abril de 2025, aporta una nueva mirada a la dinámica de la estrella.
El concepto de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz describe cómo la frontera entre dos fluidos que se deslizan a diferentes velocidades se curva y forma remolinos. Esta física, entendida desde finales del siglo XIX, lo explica todo, desde las ondulaciones en el agua provocadas por el viento hasta las formas curvas de las nubes.
Durante décadas, los científicos han teorizado que el mismo proceso debería ocurrir con el plasma solar, pero sin poder confirmarlo visualmente. Ahora, un equipo de investigadores liderado por David Kuridze y Friedrich Wöger, ambos del Observatorio Solar Nacional, ha validado la aparición de estos vórtices, que han resultado ser ubicuos. El estudio sugiere que esta revelación podría redefinir la comprensión de cómo se propagan el calor, la masa y la energía magnética en la atmósfera del Sol.
La capacidad de observación del telescopio solar más grande del mundo.
La dificultad para observar estos vórtices de plasma en el Sol siempre ha estado ligada a su pequeño tamaño, que requería una capacidad de resolución óptica que los telescopios con espejos inferiores a 2 metros no podían ofrecer. Esta limitación impidió la detección durante gran parte de la historia de la física solar, hasta que la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos inauguró el Telescopio Solar Daniel K. Inouye, un instrumento de 4 metros ubicado en Hawaii y considerado el telescopio solar más grande del mundo, que inició operaciones en noviembre de 2021.
En un período de sólo tres minutos, el 14 de abril de 2025, el equipo de Kuridze apuntó el telescopio a un área activa cerca del centro del disco solar. Grabaron imágenes utilizando una longitud de onda de 416 nanómetros, utilizando un sistema de cámara de diagnóstico desarrollado en colaboración entre el Observatorio Solar Nacional y el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar. Inicialmente, el objetivo de la misión no era la búsqueda de vórtices. “Nuestro objetivo principal era lograr un rendimiento de resolución limitada mediante la difracción del telescopio”, explicó Kuridze.
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El límite de difracción es el detalle máximo que puede captar la óptica de un telescopio, estando influenciado por el tamaño del espejo y la longitud de onda observada. Un espejo más grande y una longitud de onda más corta le permiten ver detalles más finos. Con el espejo de Inouye colocado a 4 metros, el equipo buscó optimizar la longitud de onda. “Elegimos 416 nanómetros, que se encuentra en el extremo inferior del espectro visible, para obtener un límite de difracción y una resolución más altos”, dijo Kuridze.
Lo que logró el equipo fue mucho más que una simple prueba. La cámara capturó imágenes a una velocidad de 740 fotogramas por segundo, con exposiciones de 100 microsegundos. Luego, dos mil de estos cuadros se combinaron en una imagen final utilizando una técnica conocida como deconvolución ciega de cuadros múltiples, que modela y corrige el desenfoque causado por la atmósfera terrestre después de la acción de la óptica del telescopio. El resultado fue un registro de la superficie solar, con una nueva imagen cada dos segundos y una resolución espacial de aproximadamente 19 kilómetros, precisamente en el límite teórico que puede alcanzar un espejo de 4 metros en esta longitud de onda.
“Como resultado, logramos observaciones increíbles que nos permitieron ver algo sin precedentes”, dijo Kuridze.
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Identificación y características de nuevas estructuras de vórtices solares.
En el rango de 416 nanómetros, la superficie solar está dominada por gránulos, que son células de convección que transportan calor desde el interior del Sol, intercalados por haces concentrados de intensos campos magnéticos. En fotografías de baja resolución, la zona de transición entre un haz magnético y el grano circundante aparece homogénea y ligeramente borrosa.
Sin embargo, los datos recopilados por el Telescopio Daniel K. Inouye (DKIST) presentaban una realidad muy diferente. Los límites están formados casi en su totalidad por estructuras parecidas a vórtices y rayas delgadas y oscuras. El equipo pudo identificar 47 de estas áreas con vórtices en el campo de visión del telescopio, midiendo la distancia entre ellas. La distancia varió entre 60 y 100 kilómetros, con vórtices individuales que midieron entre 25 y 170 kilómetros de diámetro. Los patrones más pequeños detectados se encontraban exactamente en el límite de resolución de 19 kilómetros, lo que indica que aún se desconoce su tamaño mínimo real. Al observar la tasa de crecimiento, los investigadores observaron que los vórtices pueden duplicar su tamaño en menos de un minuto y propagarse a lo largo de las interfaces a velocidades de entre 0,67 y 3 kilómetros por segundo.
Según Kuridze, la percepción de un observador sobrevolando una de estas fronteras dependería del momento de su llegada. La inestabilidad se desarrolla en dos fases. “Al principio hay una fase lineal, donde todo es más pacífico, organizado, regular y hermoso”, explicó. “Mirándolo de cerca, parecerá algo así como nubes en movimiento”. A la fase pacífica, sin embargo, le sigue el caos. “En algún momento, todo evoluciona hacia un régimen no lineal y las cosas se vuelven complejas”, añadió Kuridze. “Básicamente, surgen turbulencias, turbulencias bastante caóticas”.
La formación de estas ondas específicamente en las interfaces está relacionada con la dirección del campo magnético. Las líneas magnéticas se comportan como hilos elásticos que atraviesan el plasma y se oponen a la deformación. Si estos hilos están alineados con la dirección del flujo, atraen las ondulaciones en el límite, aplanándolas y evitando que crezca la inestabilidad. Sin embargo, si las líneas cruzan el flujo, no hay impedimento para la formación de vórtices.
En las regiones de intenso campo magnético observadas por DKIST, el campo magnético se proyecta casi verticalmente desde la superficie, mientras que los flujos granulares adyacentes se mueven lateralmente. La disposición de los filamentos es inadecuada para mantener estable el límite, permitiendo que las espirales se desarrollen sin restricciones.
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Confirmación científica y simulaciones que validan los datos obtenidos.
Ante un descubrimiento sin precedentes, Kuridze, Wöger y sus colaboradores tuvieron que asegurarse de que las observaciones no fueran sólo el resultado del procesamiento de imágenes. “Todo apuntaba a que se trataba de Kelvin-Helmholtz, pero eso no fue suficiente, por supuesto”, dijo Kuridze. “Es esencial disponer de pruebas teóricas para garantizar que este fenómeno realmente ocurre”.
Para obtener esta validación teórica, los científicos realizaron simulaciones por ordenador. Modelaron un área de la fotosfera que mide aproximadamente 6 megametros de lado, en una cuadrícula espaciada por 3,2 kilómetros, utilizando como referencia un mapa del campo magnético de la región observada. Luego sintetizaron imágenes que DKIST debería haber capturado al observar esta área simulada.
El equipo calculó 500 puntos espectrales dentro del rango de longitud de onda examinado, aplicando el perfil de transmisión del filtro de interferencia real y ajustando el resultado para que coincidiera con la resolución del telescopio. Las imágenes sintéticas reprodujeron con precisión la apariencia y la dinámica de los vórtices, incluida su tasa de crecimiento, distribución y velocidades de propagación. Este proceso llevó al equipo a la conclusión de que sus observaciones probablemente sean auténticas y que sus implicaciones son significativas.
Impacto de los descubrimientos en la comprensión de la atmósfera solar.
Un campo magnético robusto generalmente mantiene el plasma en un estado estable. Una mancha solar, por ejemplo, es un área donde la intensidad del campo es suficiente para suprimir la convección, lo que da como resultado una superficie más oscura y fría.
El descubrimiento de una inestabilidad que crea vórtices en los bordes de cada elemento magnético indica la existencia de un mecanismo de sacudida en lugares donde no se esperaba. Esto implica que el gas magnetizado y el no magnetizado pueden mezclarse, y el material más frío de los bordes de las celdas de convección puede infiltrarse en las regiones magnéticas. Esta interacción cambia la forma en que se transfiere el calor justo debajo de la superficie visible, un aspecto que no se considera en los modelos actuales de convección solar.
Otra zona afectada es la corona solar, la capa exterior del Sol con temperaturas de millones de grados. El calentamiento parcial de la corona se produce debido a la reordenación de las líneas del campo magnético en sus puntos de anclaje, que se entrelazan en complejas marañas y eventualmente liberan energía. El desafío era que el mecanismo exacto detrás de este reordenamiento nunca había sido observado directamente. Kuridze señala que “existen estos movimientos de torsión en toda la superficie del elemento magnético, y este movimiento de torsión no es más que el entrelazamiento de los campos magnéticos”.
Sin embargo, es importante considerar que, hasta el momento, estos resultados se basan en una ventana de observación de apenas tres minutos -un registro puntual, y no un sondeo exhaustivo- y en simulaciones que aún tienen ciertas limitaciones.
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Desafíos y direcciones futuras en la investigación de los vórtices solares
“Una de las cosas que aún no sabemos es qué tan pequeños podrían ser estos patrones Kelvin-Helmholtz en el Sol”, dijo Kuridze. Lo que podemos resolver está muy cerca del límite de resolución del telescopio, lo que indica que es posible que se estén pasando por alto patrones aún más pequeños. Para solucionar este problema, un enfoque sería permitir que las simulaciones funcionen a una resolución superior a la que el telescopio puede observar. Sin embargo, el equipo ha tenido un éxito limitado en este intento hasta la fecha.
“Cuando se ejecutan simulaciones a resoluciones más altas, es necesario incorporar principios físicos adicionales, y no estamos del todo seguros de cómo funcionan exactamente las cosas en las simulaciones por computadora cuando se pretende alcanzar estas resoluciones”, explicó. “Esta es un área completamente nueva y requiere más investigación”.
Una limitación adicional está relacionada con el tipo de datos recopilados por DKIST, que se centró principalmente en imágenes visuales de alta resolución. Aunque estas imágenes ofrecían una buena estimación de la ubicación y la fuerza de los campos magnéticos, seguían siendo una aproximación. Todo el conocimiento del equipo sobre la velocidad real del movimiento del plasma proviene de simulaciones, no directamente del telescopio, y el campo magnético que impulsa todo el proceso nunca se ha medido directamente en esta escala.
El equipo de investigación cree que la mayoría de las incertidumbres restantes pueden resolverse extendiendo las observaciones más allá de la ventana actual de tres minutos. “Para cuantificar cómo evoluciona el campo magnético con el tiempo, cuánta energía se disipa, cuánta energía se libera y qué presupuesto energético está disponible para erupciones y llamaradas, se necesitan observaciones mucho más largas y mapas magnéticos detallados”, concluyó Kuridze. “Ese es nuestro próximo desafío y nuestro próximo hito”.