La recombinación del hidrógeno causaría los altos niveles de energía de las grandes explosiones estelares

En el marco de un estudio, se investigaron 42 eventos de este tipo y se consideró que este modelo es el más consistente desde el punto de vista físico

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Pese a que su finalidad principal reside en la búsqueda de exoplanetas, los telescopios como el Kepler Space Telescope y el Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) han suministrado una vasta cantidad de datos sobre las erupciones o fulguraciones estelares (stellar flares, en inglés), detectadas con excelente fotometría con filtros de banda ancha en la franja de la luz visible.

Debido a que las estrellas se encuentran sumamente lejos, se las observa mediante telescopios únicamente como puntos luminosos. Y los fenómenos interpretados como explosiones o erupciones constituyen repentinos aumentos de luminosidad de esos puntos.

Existe aún una carencia de datos en otras franjas del espectro electromagnético. Y la mayoría de los estudios sobre estos eventos se concentran en la cuestión de la energía irradiada: se han detectado supererupciones (superflares), con energías entre 100 y 10.000 veces mayores que las de las más energéticas erupciones solares. El tema reside en saber cuál es el modelo que explica mejor estos altísimos niveles de energía.

Existen dos modelos principales para cotejarse. El más utilizado aborda la radiación de las supererupciones como la emisión de un cuerpo negro a la temperatura de 10.000 kélvines. El otro asocia estos fenómenos a un proceso de ionización y recombinación de átomos de hidrógeno. En el marco de un estudio a cargo de científicos del Centro de Radioastronomía y Astrofísica Mackenzie, de la Universidade Presbiteriana Mackenzie, en Brasil, y de la School of Physics and Astronomy, de la University of Glasgow, en Escocia, se analizaron ambos modelos. El grupo de investigadores contó con el apoyo de la FAPESP mediante tres proyectos (18/04055-8, 21/02120-0 y 22/15700-7). Y un artículo al respecto salió publicado en el periódico científico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

“Dados los procesos conocidos de transferencia de energía en flares, argumentamos que el modelo de recombinación de hidrógeno es físicamente más plausible que el modelo de cuerpo negro para explicar el origen de la emisión óptica de banda ancha”, dice Paulo Simões, docente de la Universidade Presbiteriana Mackenzie y autor principal del artículo.

Los investigadores cotejaron 37 eventos del sistema estelar Kepler-411 y cinco eventos de la estrella Kepler-396 utilizando ambos mecanismos de radiación. “Verificamos que las estimaciones para la energía total de erupción con base en el modelo de recombinación del hidrógeno se aproximan a un orden de magnitud menor que los valores obtenidos a partir de la radiación del cuerpo negro. Y se ajustan mejor a los procesos conocidos”, afirma Simões.

Estos procesos se describen a partir de las erupciones solares. Al margen de las cuantiosas diferencias, las fulguraciones solares siguen abasteciendo a los modelos en los cuales se basan las interpretaciones de las erupciones estelares. Al fin y al cabo, existe una vasta cantidad de información acumulada sobre fulguraciones solares, registradas por primera vez en forma independiente por dos astrónomos ingleses, Richard Carrington y Richard Hodgson, el día 1º de septiembre de 1859.

“Desde entonces, las erupciones solares han sido observadas como un brillo intenso con duraciones que se extienden de segundos a horas, en distintas longitudes de onda: radio, luz visible, ultravioleta y rayos X. Esos flares constituyen los fenómenos más energéticos de nuestro sistema solar y pueden afectar a las operaciones de satélites, las comunicaciones vía radio, las líneas de transmisión de energía y los sistemas de navegación y funcionamiento del GPS, por mencionar algunos ejemplos”, informa Alexandre Araújo, doctorando en el Centro de Radioastronomía y Astrofísica Mackenzie, docente de la Secretaría Municipal de Educación de São Paulo y coautor del artículo.

Las erupciones solares se producen en zonas activas asociadas a intensos campos magnéticos. La energía acumulada en los campos magnéticos de la corona solar, la parte exterior del Sol, es liberada de manera repentina, calentando así el plasma y acelerando partículas tales como electrones y protones.

“Al tener una masa menor, los electrones pueden acelerarse hasta fracciones considerables de la velocidad de la luz, típicamente hasta un 30 %, aunque en ocasiones alcanzan valores mayores. Las partículas aceleradas viajan a lo largo de las líneas del campo magnético: en parte arrojadas afuera, al espacio interplanetario, mientras que otra parte viaja en el sentido opuesto rumbo a la cromósfera, situada por debajo de la corona, en donde sufren colisiones en el plasma de alta densidad y transfieren su energía al medio. El exceso de energía calienta el plasma local y causa ionización y excitación de los átomos; y, por ende, produce la radiación que detectamos con los telescopios apostados en suelo y en el espacio”, describe Simões.

Desde la década de 1960, numerosos estudios observacionales y teóricos apuntan a explicar la generación del exceso de luz visible que causan las explosiones, pero aún no existe una solución definitiva. De esos estudios nacieron las dos alternativas principales referidas anteriormente: (1) el modelo de la radiación de cuerpo negro causada por un calentamiento en la fotósfera, la capa situada por debajo de la cromósfera; (2) la radiación por recombinación de hidrógeno en la propia cromósfera solar. Cabe explicar que esta recombinación sucede cuando los protones y los electrones del hidrógeno, separados a través del proceso de ionización, vuelven a juntarse formando átomos.

“La limitación del primer caso puede resumirse a una cuestión de transporte de energía: ninguno de los mecanismos de transporte de energía normalmente aceptados para las erupciones solares posee la capacidad como para aportar la energía necesaria en la fotósfera que provoque el calentamiento del plasma de manera tal de explicar las observaciones”, argumenta Simões.

Y Araújo añade: “Los cálculos realizados en la década de 1970 –y posteriormente confirmados mediante simulaciones computacionales– muestran que la mayoría de los electrones acelerados en las erupciones solares no logran atravesar la cromósfera solar y llegar hasta la fotósfera. De este modo, el modelo de cuerpo negro para explicar la producción de la luz blanca en las fulguraciones solares resulta incompatible con el principal proceso de transporte de energía aceptado para las erupciones solares”.

Los investigadores lamentan que el modelo de radiación por recombinación de hidrógeno, más consistente desde el punto de vista físico, aún no pueda confirmarse mediante observaciones. De cualquier manera, su artículo suministra un refuerzo para el empleo de este modelo, que ha sido soslayado en la mayor parte de los estudios.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Hydrogen recombination continuum as the radiative model for stellar optical flares en el siguiente enlace: academic.oup.com/mnras/article/528/2/2562/7571558.