La sonda Voyager 1 y el límite del Sistema Solar

«Propongo rebautizar la Voyager 1 como la Sonda de Schrödinger,» decía @Wicho (Microsiervos) en Twitter. El equipo de la misión publica hoy en Science que oficialmente en agosto de 2012 la sonda Voyager 1 abandonó la heliosfera (la burbuja definida por el plasma del viento solar que separa el Sistema Solar del espacio interestelar), cruzando la heliopausa de forma definitiva. La densidad del plasma pasó de unos 0,002 cm⁻³ en la parte exterior de la heliosfera a unos 0,08 cm⁻³ en el medio interestelar. Un cambio tan brusco en la densidad del plasma se considera una señal definitiva (aunque dicho cambio no se ha confirmado hasta abril de 2013). ¿Será esta la última vez que oiremos esta historia o habrá que poner una nueva marca en la figura de XKCD que abre esta entrada? Los autores del artículo aseguran que esta vez será la última (ellos sabrán, son los expertos). La frontera del conocimiento es como la frontera del Sistema Solar, no sabemos dónde está hasta que ya la hemos pasado de largo. Nos lo cuenta Richard A. Kerr, «It’s Official—Voyager Has Left the Solar System,» Science 341: 1158-1159, 13 Sep 2013, siendo el artículo técnico D. A. Gurnett, W. S Kurth, L. F. Burlaga, N. F. Ness , «In Situ Observations of Interstellar Plasma With Voyager 1,» Science Express, AOP, Sept 12 2013.

Francis en Trending Ciencia: Últimas noticias sobre Voyager 1 publicadas en Science

Puedes escuchar mi nuevo Podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre una transcripción del audio, algunos enlaces y algunas figuras.

La semana pasada ha vuelto a ser noticia la sonda espacial Voyager que se encuentra en la frontera del Sistema Solar gracias a tres artículos publicados en la revista Science que indican que Voyager 1 ha abandonado, casi, el Sistema Solar, pero no del todo. Para este podcast me basaré en el artículo de Alexandra Witze, «Voyager 1 is going, going, but not quite gone from the Solar System,» del 27 de junio de 2013 para Nature News, y en la entrevista que le realizó a Ed Stone (que ha guiado la nave espacial Voyager 1 durante 36 años) en «Voyager: Outward Bound,» aparecida en Nature el 23 de mayo de 2013.

Voyager 1 fue lanzada en 1977 y ahora está a unos 18.600.000.000 kilometros del Sol y sigue alejándose cada día. En 2004, la Voyager 1 abandonó la región del espacio dominada por la influencia del Sol y entró en una zona de transición donde el viento solar se mezcla de forma turbulenta con el gas interestelar. Los astrofísicos están esperando ansiosos a que Voyager salga de esta zona de transición y se introduzca en el verdadero espacio interestelar. En el verano de 2012 la sonda experimentó un cambio, pero la señal no era tan clara como algunos esperaban y aún no se puede asegurar que haya atravesado la frontera del sistema solar.

Los tres artículos técnicos en Science son S. M. Krimigis et al., «Search for the Exit: Voyager 1 at Heliosphere’s Border with the Galaxy,» Science Express, Published Online June 27 2013; E. C. Stone et al., «Voyager 1 Observes Low-Energy Galactic Cosmic Rays in a Region Depleted of Heliospheric Ions,» Science Express, Published Online June 27 2013; y L. F. Burlaga et al., «Magnetic Field Observations as Voyager 1 Entered the Heliosheath Depletion Region,» Science Express, Published Online June 27 2013.

La actividad solar y las mareas gravitatorias inducidas por el movimiento planetario

El número de manchas solares muestra una variación cíclica con una periodo de unos 11 años. El astrónomo suizo Rudolf Wolf (1816-1893) estableció una posible relación entre este ciclo y los movimientos de los planetas. George Ellery Hale descubrió que el magnetismo solar daba origen a las manchas y se descartó la idea de Wolf (mucha gente aún la asocia a la astrología). Un nuevo estudio publicado en Astronomy & Astrophysics rescata la idea y la hace renacer con nuevos bríos. José A. Abreu (ETH Zürich Institut für Geophysik, Zürich, Suiza) y sus colegas sugieren que el magnetismo solar está perturbado por el momento angular debido a la fuerza gravitatoria de los planetas en el sistema solar. Han estudiado la variación periódica en los últimos 9400 años de un par de isótopos radiactivos, el berilio-10 y el carbono-14, en testigos de hielo de la Antártida y de Groenlandia. Para su sorpresa, la serie temporal muestra una fuerte correlación con el momento angular total del movimiento de los planetas; más aún, en los últimos 400 años también lo está con la actividad solar (como muestra la figura). Usando métodos de Montecarlo estiman que la probabilidad de que esta correlación sea casual es menor de una parte en un millón. Según Abreu y sus colegas, el momento angular planetario induce una pequeña asfericidad en el sol que afecta a la convección en sus capas interiores y gracias a ella al magnetismo solar. ¿Homeopatía astrológica? Quizás, pero habrá que esperar a futuros estudios mediante simulaciones magnetohidrodinámicas en supercomputadores para comprobar si un efecto tan pequeño puede ser amplificado por la dinámica no lineal asociada a la actividad solar. Por cierto, la teoría convencional explica la variación periódica de la actividad aludiendo al forzamiento estocástico en la dinámica turbulenta del interior del Sol. Si ya tenemos una explicación, ¿para qué queremos una nueva? Lo cierto es que la ciencia avanza gracias a las hipótesis. Nos lo ha contado Paul Charbonneau, «Solar physics: The planetary hypothesis revived,» Nature 493: 613-614, 31 Jan 2013, que se hace eco del artículo técnico de J. A. Abreu, «Is there a planetary influence on solar activity?,» Astronomy & Astrophysics 548: A88, Dec 2012.

Por cierto, entre los autores del artículo se encuentra el investigador Antonio Ferriz-Mas del Grupo de Física Solar del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y profesor en la Universidad de Vigo, como nos destacó «Los planetas podrían influir en la actividad magnética del Sol,» IAA (CSIC), SINC, 28 Nov 2012. «El Sol no rota rígidamente, posee una rotación diferencial y las regiones en el ecuador rotan más rápido que las de los polos. Esta rotación diferencial se da tan solo en el 30% más externo del Sol, en la llamada zona de convección, más abajo, en la zona radiativa, la rotación es rígida. Entre ambas zonas existe una capa, la tacoclina, crucial para el almacenamiento y amplificación del campo magnético solar (en ella se localizarían los tubos de flujo magnético que originan las manchas solares que se observan en la superficie). Una tacoclina un poco achatada, sin simetría axial, podría ser influida por los pares de fuerzas debidos al efecto de marea gravitatoria influido por el movimiento de los planetas (un fenómeno parecido a cómo la Luna y el Sol producen las mareas en los océanos terrestres). ¿Este pequeño efecto de marea podría ser suficiente para afectar la capacidad de la tacoclina para almacenar los tubos de flujo magnético?» Habrá que esperar a futuros estudios que apoyen o refuten esta sugerente idea.

El sistema solar rota a 240 km/s respecto al centro de nuestra galaxia

Hasta ahora se pensaba que el sistema solar rota alrededor del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, a 220 km/s (valor oficial según la Unión Astronómica Internacional (IAU) desde 1985). Sin embargo, una nueva medida obtenida por VERA (VLBI Exploration of Radio Astrometry) del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), ha determinado que su velocidad es de 240 ± 14 km/s y que su distancia al centro galáctico es de 26.100 ± 1.600 años luz. Esto significa que el sistema solar tarda unos 200 millones de años en dar una vuelta a la galaxia. Además, este nuevo resultado implica que la cantidad de materia oscura de nuestra galaxia es un 20% mayor del valor que se pensaba hasta ahora. El nuevo resultado se ha obtenido gracias a la técnica de paralaje trigonométrica, la diferencia en la posición de ciertas estrellas producida por la rotación de la Tierra alrededor del Sol durante un año. Para ello se ha utilizado una red de radiotelescopios situados en Japón. El artículo técnico es Nobuyuki Sakai et al., «Outer Rotation Curve of the Galaxy with VERA I: Trigonometric parallax of IRAS 05168+3634,» Publ. Astron. Soc. Japan 64: 108-119, 2012 [arXiv:1204.4782].

VERA ha realizado observaciones de más de 100 objetos de radio (fuentes tipo máser) en nuestra galaxia y ha determinado de forma precisa la distancia de 52. En la imagen de abajo se muestra la velocidad radial versus la distancia al centro galáctico. Los puntos negros representan los 52 objetos observados con precisión hasta ahora. La imagen de fondo en rojo, verde y azul representa la distribución de gas molecular en el plano galáctico.

Otro mito que cae, el cambio climático y la estructura espiral de nuestra galaxia

El origen antropogénico del cambio climático ha originado casi tanto polémica como la evolución de las especies. ¿Las glaciaciones son debidas a los rayos cósmicos cuando el Sistema Solar atraviesa los brazos espirales de la Vía Láctea? Algunos lo han proclamado a voces. Un nuevo estudio demuestra que no tienen nada que ver. No se observa ninguna correlación entre los cambios en el clima terrestre y el tránsito del sistema solar a través de los brazos espirales de nuestra galaxia. La información experimental más reciente sobre la estructura de los brazos de la Vía Láctea no deja lugar a dudas. Nos lo cuentan los norteamericanos Adrian L. Melott, Andrew C. Overholt, Martin K. Pohl, «Testing the link between terrestrial climate change and Galactic spiral structure,» ArXiv, Submitted on 15 Jun 2009.

La figura que abre esta entrada muestra los resultados. La parte izquierda es el camino del Sistema Solar a lo largo de los brazos espirales de la Vía Láctea, según vienen determinados por los datos de nubes moleculares de alta densidad. Los círculos de color representan la posición actual (el más arriba) y lugares donde se han producido cruces con los brazos espirales. La parte derecha muestra la correlación entre estos datos y la posición de las últimas 7 eras glaciales (líneas rojas verticales). El cruz (X) roja marca la coincidencia observada en estudios anteriores. Los nuevos datos claramente muestran que no hay correlación entre eras glaciales y nuestro paso a través de los brazos espirales.

Otro mito en relación al cambio climático que cae bajo la evidencia de datos observacionales más precisos.

PS (27 junio): En ArXivBlog también se hacen eco de este artículo: «Spiral Arms Did Not Cause Climate Change on Earth,» Friday, June 26, 2009.

¿Se está reduciendo la actividad solar?

La calma que precede a la tormenta o la actividad solar debería ser más alta de lo que es. Deberíamos haber superado el mínimo del ciclo solar número 23 y estar iniciando el máximo del ciclo 24. ¿Dónde están las manchas solares? Las primeras manchas del ciclo 24 fueron observadas en agosto, pero la actividad actual es sorprendentemente baja, especialmente ya que la NASA anunció en 2006 que el próximo ciclo (el actual) sería muy fuerte. ¿Qué es lo que pasa?

Hay muchos análisis de la actividad solar. He seleccionado HAO Li-sheng, BI Bao-gui, and YAO Xue-xiang, «An Analysis of the Variation of Solar Activity,» Chinese Astronomy and Astrophysics 32: 47-55  ( 2008 ), que utilizan técnicas de ondículas (wavelets) para volver a comprobar que la actividad solar tiene periodicidad cada 10.7 años (el famoso periodo de casi 11 años) pero con el añadido de un periodo de 101 años, no tan conocido. Los autores del estudio han utilizado los datos del número de manchas solares en un periodo de 257 años (promediado por trimestres), desde 1749-1950 del U.S. Geophysical Data Center y desde 1951-2005 del Laboratory of Systematic Diagnosis and Prediction of China Meteorological Administration. Como desde 1950 la actividad solar ha sido cada vez más intensa, los autores predicen que próximamente la actividad solar empezará a decrecer. 

Estas son buenas noticias para los que asocian el cambio climático a la actividad solar, como en el artículo de Ilya G. Usoskin et al. «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940′s,» Phys. Rev. Lett. 91, 211101 ( 2003 ), versión gratuita, quienes reconstruyeron la actividad de las manchas solares desde el año 850 utilizando registros de la concentración de un isótopo de berilio en el hielo polar. Los autores observaban que la actividad solar en los últimos 60 años era la más intensa de los últimos 1150 años, sugiriendo una conexión entre clima y actividad solar (por ejemplo, observan máximos en la actividad solar entre 1100 y 1300 correspondientes al periodo cálido medieval).

¿Es estable el Sistema Solar? (o Mercurio y Venus colisionarán, y Marte abandonará el Sistema Solar, según simulaciones numéricas)

¿Cómo puede evolucionar el Sistema Solar en el futuro? ¿Cuáles son las posibilidades de que los planetas sufran una inestabilidad orbital antes de que el Sol se vuelva una estrella gigante roja y destruya la Tierra? En tres palabras: alrededor del 1%. Así se indica en el artículo de Konstantin Batygin, Gregory Laughlin, «On the Dynamical Stability of the Solar System,» ArXiv preprint, 11 Apr 2008. El artículo es técnico, pero está magistralmente comentado en (el blog del propio Laughlin) «It won’t last forever…,» que resume los puntos más importantes del trabajo de Batygin sobre la estabilidad a largo plazo del Sistema Solar y sobre todo de su motivación (Konstantin es el alumno y Gregory el profesor).

La respuesta a estas preguntas requiere estudiar numéricamente la evolución de los 8 planetas (no se tienen en cuenta los planetas enanos ni demás cuerpos de menor tamaño) en integraciones de largo tiempo. Hoy en día, cualquier ordenador PC permite realizar simulaciones de los 8 planetas en tiempos más largos que la vida del Sol (antes de que se convierte en gigante roja, dentro de unos 6 mil millones de años) y Batygin lo ha hecho para los próximos 24 mil millones de años (mucho más allá de lo necesario). La siguiente figura muestra la excentricidad de la órbita terrestre durante los próximos 20 mil millones de años, mostrando que su órbita prácticamente no cambia (variaciones entre e=0 y e=0.07). Un resultado claramente aburrido.

Las simulaciones numéricas desarrolladas por Batygin incluyen la adición de un término perturbativo singular, desarrollado previamente por Laskar gracias al análisis de la simulación hacia atrás en el tiempo (técnica de análisis de bifurcaciones para sistemas «caóticos» hamiltonianos), que permite modelar mejor la existencia de resonancias entre el movimiento de los planetas. En concreto una resonancia entre Mercurio y Júpiter, mediada por Venus, conduce a un comportamiento de Mercurio muy errático. Como vemos en esta figura.

Este comportamiento conduce a interesantes sorpresas. En una simulación Mercurio cae en el Sol dentro de 1261 millones de años (Ma). En otra, Mercurio y Venus colisionan dentro de unos 862 Ma, tras la eyección de Marte fuera del Sistema Solar dentro de 822 Ma. (como vemos en la figura de abajo). En todas las simulaciones Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno se mantendrán estables.

Más en broma que en serio, semiramis nos recuerda que «Venus no soporta que Mercurio (dios mensajero) le chive sus idilios a Marte (amante de la primera pero también cornudo) y razón por la cual éste último se pira del sistema solar. ¿Y para esa conclusión tanto cálculo numérico?».

PS (5 ene 2013): Una versión actualizada de esta entrada, que merece la pena leer: Daniel Marín, «¿Puede Marte chocar contra la Tierra?,» Eureka, Ene. 03, 2013.

¿Es el sistema solar esférico? (o Voyager y Pioneer en los límites del Sistema Solar)

Se acaba de publicar un artículo muy interesante de Christina Reed, «Voyagers to the End. The solar system may be dented at the bottom,» SCIENTIFIC AMERICAN, pp. 26-27,  March 2008. Permitidme una traducción libre.

El año pasado, tras 30 años en el espacio, la sonda Voyager 2 cruzó por el sur la primera frontera del sistema solar, la onda de choque de terminación, donde el viento solar (un «río» supersónico de partículas cargadas que se alejan del Sol a unos 400 km/s) reduce su velocidad (a unos 300 km/s como resultado de la colisión con el flujo de partículas interestelares), y bruscamente se «corta» (se reduce a unos 150 km/s) donde empieza el espacio interestelar «propiamente» dicho. La sonda Voyager 1 ya la cruzó, pero por el norte. Los resultados indican que esta frontera del sistema solar «no es esférica», Voyager 2 la encontró a unas 84 UA (unidades astronómicas) mientras que Voyager 1 la encontró a unas 94 UA (recuerda que 1 UA es la distancia media entre el Sol y la Tierra).

¿Por qué el Sistema Solar no es esférico? No se sabe. Una nueva sonda espacial, IBEX, que se planea que será lanzada a mediados de julio tratará de buscar respuestas. Nuestro Sistema Solar todavía tiene muchos secretos que tendrán que ser desvelados.