Científicos del IRSOL y del IAC resuelven una compleja paradoja en Física Solar

Imagen de la atmósfera solar mostrando una eyección de masa coronal. Crédito: NASA/SDO

En 1998 la revista Nature publicó un novedoso artículo en el que se concluía que la misteriosa señal de polarización que se había descubierto recientemente en la luz emitida por los átomos de sodio de la atmósfera solar implicaba que la cromosfera (una importantísima región de la atmósfera solar) no podía estar significativamente magnetizada, en clara contradicción con los resultados vigentes. Tal paradoja motivó experimentos e investigaciones teóricas que, en lugar de dar una solución, originaron nuevas dudas e incluso llevaron a algunos científicos a cuestionar la teoría cuántica de la interacción luz-materia. En un artículo publicado y destacado hoy por la prestigiosa revista Physical Review Letters, Ernest Alsina Ballester (IRSOL e IAC), Luca Belluzzi (IRSOL) y Javier Trujillo Bueno (IAC) muestran la resolución de esta intrigante paradoja que ha desconcertado a los físicos solares durante las últimas décadas. Esta investigación abre una nueva ventana para explorar los complejos campos magnéticos de la cromosfera solar en la presente nueva era de grandes telescopios solares.

Hace veinticinco años, se descubrió una enigmática señal al analizar la polarización de la luz solar con un nuevo instrumento, el Zurich Imaging Polarimeter (ZIMPOL). Esta misteriosa señal de polarización lineal se encuentra a la longitud de onda de la línea D1 del sodio, a 5896 Ångstroms, donde según los números cuánticos de tal línea se esperaba polarización nula. Por lo tanto, la observación de tan enigmática señal fue totalmente inesperada y motivó un intenso debate científico. El misterio aumentó dos años después, cuando la revista Nature publicó un artículo con una explicación que requería que los subniveles del nivel inferior de la línea D1 estuviesen desigualmente poblados. Los resultados teóricos de tal artículo reproducían de forma espectacular la enigmática señal de polarización observada en la línea D1. Sin embargo, el mecanismo propuesto implicaba que la región de la atmósfera solar conocida como “cromosfera” no puede estar magnetizada, en seria contradicción con los resultados vigentes, que indican que las regiones en calma (fuera de las manchas solares) de la cromosfera solar están llenas de campos magnéticos con intensidades del orden de varios gauss. Esto originó una seria paradoja, la cual ha supuesto un reto para los físicos solares durante muchos años, e incluso ha llevado a algunos científicos a cuestionar la teoría cuántica de las interacciones entre átomos y fotones. 

En 2013 se alcanzó un primer hito hacia la resolución de la paradoja del sodio: Luca Belluzzi y Javier Trujillo Bueno descubrieron en el IAC un nuevo mecanismo físico gracias al cual se puede producir polarización lineal en la línea D1 del sodio sin necesidad de suponer diferencias entre las poblaciones de los subniveles del nivel inferior de tal línea espectral. Sin embargo, el importante paso que dieron estos investigadores fue para el caso idealizado de un modelo de atmósfera solar sin campos magnéticos.

Líneas espectrales D1 y D2

Figura 1: Variación con la longitud de onda de la polarización lineal (Q/I) de la luz solar a lo largo de las líneas espectrales D1 y D2 (panel izquierdo) y de la línea D1 (panel derecho) del sodio. Las curvas negras indican las señales observadas (las medidas se tomaron en IRSOL usando el instrumento ZIMPOL). Las curvas rojas y azules muestran los resultados de cálculos teóricos despreciando (rojo) e incluyendo (azul) el campo magnético. Nótese que se obtiene un acuerdo excelente entre las observaciones y la modelización teórica cuando se considera que las regiones en calma (fuera de las manchas solares) de la cromosfera solar están magnetizadas por un campo magnético de 15 gauss.

En un artículo publicado hoy en Physical Review Letters, la prestigiosa revista científica de la Sociedad Estadounidense de Física, Ernest Alsina Ballester, Luca Belluzzi y Javier Trujillo Bueno muestran la resolución de esta intrigante paradoja, que llevaba desconcertando a los físicos solares desde 1998. Tal y como se muestra en la figura 1, este equipo de investigadores ha reproducido la enigmática polarización observada en la línea D1, en presencia de campos magnéticos del orden de varios gauss. Para conseguir este resultado, fue necesario realizar la modelización teórica más compleja de dicha señal jamás antes realizada, teniendo en cuenta la acción conjunta de muchos mecanismos físicos complejos. Esto exigió tres años de trabajo, dentro del marco de una estrecha colaboración entre el Istituto Ricerche Solari (IRSOL) en Locarno-Monti (afiliado a la Università della Svizzera italiana) y el grupo POLMAG del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en Tenerife (véase http://research.iac.es/proyecto/polmag/).

Los resultados publicados tienen consecuencias muy importantes. Las señales de polarización lineal, como las que se observan en la luz solar de la línea D1 del sodio, son de enorme interés dado que conllevan una rica información sobre los campos magnéticos presentes en la cromosfera solar, los cuales son muy difíciles de detectar. Esta región de la atmósfera solar, que se encuentra entre la relativamente fría fotosfera y la extremadamente caliente corona (más de un millón de grados), es clave para solucionar algunos de los retos actuales de la física solar, incluyendo la comprensión y eventual predicción de los fenómenos eruptivos que pueden afectar seriamente nuestro presente mundo tecnológico y digital. Se sabe que los campos magnéticos son el motor principal de la espectacular actividad dinámica de la cromosfera solar, pero nuestro conocimiento sobre su intensidad y geometría sigue siendo insuficiente. La solución de la paradoja de la misteriosa polarización de la línea D1 del sodio confirma la validez de la actual teoría cuántica de polarización en líneas espectrales, y abre una nueva ventana para explorar el magnetismo de la atmósfera solar en la presente nueva era de grandes telescopios solares.

Esta investigación ha recibido financiación de la Fundación Nacional Suiza de Ciencias (SNSF) mediante la subvención 200021-175997 y del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea (“Advanced Grant” N° 742265).

Artículo: Alsina Ballester, E., Belluzzi, L. y Trujillo Bueno, J.: Solving the paradox of the solar sodium D1 line polarization, Physical Review Letters, 18 de Agosto 2021 (Vol. 127, No. 8)DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.081101

Sinopsis en Physics Magazine: https://physics.aps.org/articles/v14/s101

Contactos en el IAC:
- Ernest Alsina Ballester: ernest.alsina [at] iac.es
- Javier Trujillo Bueno: jtb [at] iac.es

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