Heliosfera

• Arriba : Diagrama de la heliosfera a medida que viaja a través del medio interestelar :
  1. Heliofunda : la región exterior de la heliosfera; el viento solar está comprimido y es turbulento.
  2. Heliopausa : el límite entre el viento solar y el viento interestelar donde se encuentran en equilibrio.
• Centro : agua corriendo hacia un lavabo como analogía de la heliosfera y sus diferentes zonas (izquierda) y la nave espacial Voyager midiendo una gota de las partículas de alta energía del viento solar en la heliopausa (derecha).
• Abajo : Escala logarítmica del Sistema Solar y posición de la Voyager 1 .

La heliosfera es la magnetosfera , la astrosfera y la capa atmosférica más externa del Sol . Tiene la forma de una vasta región del espacio con forma de burbuja y cola . En términos de física de plasmas, es la cavidad formada por el Sol en el medio interestelar circundante . La "burbuja" de la heliosfera se "infla" continuamente por el plasma originado en el Sol, conocido como viento solar . Fuera de la heliosfera, este plasma solar da paso al plasma interestelar que impregna la Vía Láctea . Como parte del campo magnético interplanetario , la heliosfera protege al Sistema Solar de cantidades significativas de radiación ionizante cósmica ; sin embargo, los rayos gamma sin carga no se ven afectados. ^{[ 1 ]} Su nombre probablemente fue acuñado por Alexander J. Dessler , a quien se le atribuye el primer uso de la palabra en la literatura científica en 1967. ^{[ 2 ]} El estudio científico de la heliosfera es la heliofísica , que incluye el clima espacial y el tiempo espacial .

El viento solar, que fluye sin obstáculos a través del Sistema Solar durante miles de millones de kilómetros, se extiende mucho más allá de la región de Plutón hasta que encuentra la onda de choque de terminación , donde su movimiento se ralentiza bruscamente debido a la presión externa del medio interestelar. La heliofunda es una amplia región de transición entre la onda de choque de terminación y el borde más externo de la heliosfera, la heliopausa . La forma general de la heliosfera se asemeja a la de un cometa , siendo aproximadamente esférica en un lado hasta aproximadamente 100 unidades astronómicas (UA), y en el otro lado con forma de cola, conocida como heliocola, que se extiende por varios miles de UA.

Dos naves espaciales del programa Voyager exploraron los confines de la heliosfera, pasando a través del choque de terminación y la heliofunda. Voyager 1 encontró la heliopausa el 25 de agosto de 2012, cuando la nave espacial midió un aumento repentino de cuarenta veces en la densidad del plasma . ^{[ 3 ]} Voyager 2 atravesó la heliopausa el 5 de noviembre de 2018. ^{[ 4 ]} Debido a que la heliopausa marca el límite entre la materia originada por el Sol y la materia originada por el resto de la galaxia, las naves espaciales que abandonan la heliosfera (como las dos Voyager) se encuentran en el espacio interestelar .

La heliosfera se ve afectada por efectos extrasolares, como supernovas cercanas o el paso por medios interestelares de diferentes densidades, y ha cambiado significativamente a lo largo de la vida del sistema solar. La evidencia sugiere que la heliosfera se contrajo hasta el Sistema Solar Interior hace tan solo 3 millones de años, debido a una supernova cercana, que expuso a la Tierra al medio interestelar (lo que pudo haber impactado el clima y la ecología de la Tierra). ^{[ 5 ]}

A pesar de su nombre, la heliosfera no tiene forma de esfera perfecta. ^{[ 6 ]} Su forma está determinada por tres factores: el medio interestelar (ISM), el viento solar y el movimiento general del Sol y la heliosfera al pasar a través del ISM. Dado que tanto el viento solar como el ISM son fluidos, la forma y el tamaño de la heliosfera también lo son. Sin embargo, los cambios en el viento solar alteran con mayor intensidad la posición fluctuante de los límites en escalas de tiempo cortas (de horas a unos pocos años). La presión del viento solar varía mucho más rápidamente que la presión externa del ISM en cualquier lugar dado. En particular, se cree que el efecto del ciclo solar de 11 años , que presenta un máximo y un mínimo bien definidos de actividad del viento solar, es significativo.

A mayor escala, el movimiento de la heliosfera a través del medio fluido del medio interestelar da como resultado una forma general similar a la de un cometa. El plasma del viento solar que se mueve aproximadamente "aguas arriba" (en la misma dirección que el movimiento del Sol a través de la galaxia) se comprime hasta adquirir una forma casi esférica, mientras que el plasma que se mueve "aguas abajo" (en dirección opuesta al movimiento del Sol) fluye a lo largo de una distancia mucho mayor antes de ceder ante el medio interestelar, definiendo así la forma alargada y sinuosa de la heliocola.

Los datos limitados disponibles y la naturaleza inexplorada de estas estructuras han dado lugar a muchas teorías sobre su forma. ^{[ 7 ]} En 2020, Merav Opher lideró el equipo de investigadores que determinó que la forma de la heliosfera es una media luna ^{[ 8 ]} que puede describirse como un cruasán desinflado. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

viento solar

El viento solar está compuesto por partículas ( átomos ionizados de la corona solar ) y campos como el campo magnético que se producen en el Sol y se extienden por el espacio. Debido a que el Sol rota aproximadamente una vez cada 25 días, el campo magnético heliosférico ^{[ 11 ]} transportado por el viento solar se enrolla en espiral. El viento solar afecta a muchos otros sistemas del Sistema Solar; por ejemplo, las variaciones en el propio campo magnético del Sol son transportadas hacia el exterior por el viento solar, produciendo tormentas geomagnéticas en la magnetosfera terrestre .

La estructura externa de la heliosfera está determinada por las interacciones entre el viento solar y los vientos del espacio interestelar. El viento solar fluye desde el Sol en todas direcciones a velocidades de varios cientos de km/s en las proximidades de la Tierra. A cierta distancia del Sol, mucho más allá de la órbita de Neptuno , este viento supersónico disminuye su velocidad al encontrarse con los gases del medio interestelar . Esto ocurre en varias etapas:

• El viento solar viaja a velocidades supersónicas dentro del Sistema Solar. En el choque de terminación, una onda de choque estacionaria , el viento solar cae por debajo de la velocidad del sonido y se vuelve subsónico .
• Anteriormente se pensaba que, una vez subsónico, el viento solar sería moldeado por el flujo ambiental del medio interestelar, formando una punta roma en un lado y una heliocola similar a la de un cometa detrás, una región llamada heliofunda. Sin embargo, las observaciones de 2009 demostraron que este modelo es incorrecto. ^{[ 13 ] [ 14 ]} A partir de 2011, se cree que está llena de una "espuma" de burbujas magnéticas. ^{[ 15 ]}
• La superficie exterior de la heliofunda, donde la heliosfera se encuentra con el medio interestelar, se denomina heliopausa. Este es el límite de toda la heliosfera. Las observaciones de 2009 llevaron a cambios en este modelo. ^{[ 13 ] [ 14 ]}
• En teoría, la heliopausa provoca turbulencias en el medio interestelar a medida que el Sol orbita el centro galáctico . Estas turbulencias resultan de la presión que ejerce la heliopausa en avance sobre el medio interestelar . Sin embargo, la velocidad del viento solar con respecto al medio interestelar puede ser demasiado baja para generar una onda de choque frontal. ^{[ 16 ]}

Shock de terminación

El choque de terminación es el punto en la heliosfera donde el viento solar disminuye su velocidad a subsónica (en relación con el Sol) debido a las interacciones con el medio interestelar local . Esto provoca compresión , calentamiento y un cambio en el campo magnético . En el Sistema Solar , se cree que el choque de terminación se encuentra entre 75 y 90 unidades astronómicas ^{[ 17 ]} del Sol. En 2004, la Voyager 1 cruzó el choque de terminación del Sol , seguida por la Voyager 2 en 2007. ^{[ 3 ] [ 6 ] [ 18 ] [ 19 ]}

La onda de choque surge porque las partículas del viento solar son emitidas por el Sol a unos 400  km/s, mientras que la velocidad del sonido (en el medio interestelar) es de unos 100  km/s. La velocidad exacta depende de la densidad, que fluctúa considerablemente. El medio interestelar, aunque de muy baja densidad, tiene una presión relativamente constante; la presión del viento solar disminuye con el cuadrado de la distancia al Sol. A medida que uno se aleja lo suficiente del Sol, la presión del viento solar cae hasta un punto en el que ya no puede mantener un flujo supersónico contra la presión del medio interestelar, momento en el que el viento solar disminuye su velocidad por debajo de la del sonido, provocando una onda de choque . Más lejos del Sol, la onda de choque de terminación es seguida por la heliopausa, donde las dos presiones se igualan y las partículas del viento solar son detenidas por el medio interestelar.

Otros choques de terminación pueden observarse en sistemas terrestres; quizás el más sencillo sea abrir un grifo y verter agua en un lavabo , lo que crea un salto hidráulico . Al chocar contra el fondo del lavabo, el agua se extiende a una velocidad superior a la de la onda local , formando un disco de flujo poco profundo y rápidamente divergente (análogo al tenue viento solar supersónico). Alrededor de la periferia del disco, se forma un frente de choque o pared de agua; fuera de este frente, el agua se mueve a una velocidad inferior a la de la onda local (análogo al medio interestelar subsónico).

Las pruebas presentadas en una reunión de la Unión Geofísica Americana en mayo de 2005 por Ed Stone sugieren que la sonda Voyager 1 pasó la onda de choque de terminación en diciembre de 2004, cuando se encontraba a unas 94 UA del Sol, debido al cambio en las lecturas magnéticas tomadas desde la nave. En contraste, la Voyager 2 comenzó a detectar partículas que regresaban cuando estaba a solo 76 UA del Sol, en mayo de 2006. Esto implica que la heliosfera podría tener una forma irregular, abultándose hacia afuera en el hemisferio norte del Sol y hundiéndose hacia adentro en el hemisferio sur. ^{[ 20 ]}

Heliotail

La heliocola es la cola de la heliosfera, de varios miles de unidades astronómicas de longitud, ^{[ 5 ]} y, por lo tanto, la cola del Sistema Solar. Se puede comparar con la cola de un cometa (sin embargo, la cola de un cometa no se extiende detrás de él mientras se mueve; siempre apunta en dirección opuesta al Sol). La cola es una región donde el viento solar del Sol se ralentiza y finalmente escapa de la heliosfera, evaporándose lentamente debido al intercambio de carga. ^{[ 38 ]} La forma de la heliocola (según la descubrió el Explorador de Límites Interestelares de la NASA – IBEX) es la de un trébol de cuatro hojas. ^{[ 39 ]} Las partículas en la cola no brillan, por lo que no se puede ver con instrumentos ópticos convencionales. IBEX realizó las primeras observaciones de la heliocola midiendo la energía de los " átomos neutros energéticos ", partículas neutras creadas por colisiones en la zona límite del Sistema Solar. ^{[ 39 ]}

Se ha demostrado que la cola contiene partículas rápidas y lentas; las lentas se encuentran a los lados y las rápidas en el centro. La forma de la cola puede vincularse con los vientos solares rápidos que el Sol emite cerca de sus polos y, más recientemente, con los vientos solares lentos cerca de su ecuador. A medida que la cola, con forma de trébol, se aleja del Sol, las partículas cargadas comienzan a cambiar de orientación.

Los datos de Cassini e IBEX desafiaron la teoría de la "heliocola" en 2009. ^{[ 13 ] [ 14 ]} En julio de 2013, los resultados de IBEX revelaron una cola de 4 lóbulos en la heliosfera del Sistema Solar. ^{[ 40 ]}

La heliopausa es el límite final conocido entre la heliosfera y el espacio interestelar que está lleno de material, especialmente plasma, no de la propia estrella de la Tierra, el Sol, sino de otras estrellas. ^{[ 42 ]} Aun así, justo fuera de la heliosfera (es decir, la "burbuja solar") hay una región de transición, como la detectó la Voyager 1. [ ^{43 ] Así} como se detectó cierta presión interestelar ya en 2004, parte del material del Sol se filtra en el medio interestelar. ^{[ 43 ]} Se cree que la heliosfera reside en la Nube Interestelar Local dentro de la Burbuja Local , que es una región en el Brazo de Orión de la Galaxia Vía Láctea .

Fuera de la heliosfera, se observa un aumento de cuarenta veces en la densidad del plasma. ^{[ 43 ]} También se produce una reducción radical en la detección de ciertos tipos de partículas provenientes del Sol y un gran aumento en los rayos cósmicos galácticos. ^{[ 44 ]}

El flujo del medio interestelar (ISM) hacia la heliosfera ha sido medido por al menos 11 naves espaciales diferentes hasta 2013. ^{[ 45 ]} Para 2013, se sospechaba que la dirección del flujo había cambiado con el tiempo. ^{[ 45 ]} El flujo, proveniente de la perspectiva de la Tierra desde la constelación de Escorpio, probablemente ha cambiado de dirección en varios grados desde la década de 1970. ^{[ 45 ]}

La heliosfera es la zona bajo la influencia del Sol; los dos componentes principales para determinar su límite son el campo magnético heliosférico y el viento solar . Tres secciones principales desde el inicio de la heliosfera hasta su límite son la onda de choque de terminación, la heliofunda y la heliopausa. Cinco naves espaciales han enviado gran parte de los datos sobre sus límites más lejanos, incluyendo Pioneer 10 (1972-1997; datos hasta 67 UA), Pioneer 11 (1973-1995; 44 UA), Voyager 1 y Voyager 2 (lanzadas en 1977, en curso) y New Horizons (lanzada en 2006). También se ha observado la producción de un tipo de partícula llamada átomo neutro energético (ENA) en sus límites.

Excepto en regiones cercanas a obstáculos como planetas o cometas , la heliosfera está dominada por material que emana del Sol, aunque los rayos cósmicos , los átomos neutros de rápido movimiento y el polvo cósmico pueden penetrar la heliosfera desde el exterior. Originándose en la superficie extremadamente caliente de la corona , las partículas del viento solar alcanzan la velocidad de escape , fluyendo hacia afuera a 300 a 800  km/s (671 mil a 1,79  millones mph o 1 a 2,9  millones de km/h). ^{[ 59 ]} Al comenzar a interactuar con el medio interestelar , su velocidad disminuye hasta detenerse. El punto donde el viento solar se vuelve más lento que la velocidad del sonido se llama choque de terminación ; el viento solar continúa disminuyendo su velocidad al pasar por la heliofunda que conduce a un límite llamado heliopausa , donde las presiones del medio interestelar y del viento solar se equilibran. La onda de choque de terminación fue atravesada por la Voyager 1 en 2004, ^{[ 30 ]} y la Voyager 2 en 2007. ^{[ 6 ]}

Se creía que más allá de la heliopausa existía una onda de choque frontal , pero los datos del Explorador de Límites Interestelares sugirieron que la velocidad del Sol a través del medio interestelar es demasiado baja para que se forme. ^{[ 16 ]} Podría tratarse de una "onda de proa" más suave. ^{[ 47 ]}

Los datos de Voyager llevaron a una nueva teoría de que la heliofunda tiene "burbujas magnéticas" y una zona de estancamiento. ^{[ 25 ] [ 60 ]} También hubo informes de una "región de estancamiento" dentro de la heliofunda, que comienza alrededor de 113 ua (1,69 × 10 ¹⁰ km; 1,05 × 10 ¹⁰ mi) , detectada por Voyager 1 en 2010. ^{[ 25 ]} Allí, la velocidad del viento solar cae a cero, la intensidad del campo magnético se duplica y los electrones de alta energía de la galaxia aumentan 100 veces. ^{[ 25 ]}   

A partir de mayo de 2012 a ¹²⁰ ua (1,8 × 10¹⁰ km; 1,1 × 10¹⁰ ^mi ) , la Voyager 1 detectó un aumento repentino de rayos cósmicos, una señal aparente de aproximación a la heliopausa. ^{[ 31 ]} En el verano de 2013, la NASA anunció que la Voyager 1 había alcanzado el espacio interestelar el 25 de agosto de 2012. ^{[ 33 ]}   

En diciembre de 2012, la NASA anunció que a finales de agosto de 2012, la Voyager 1 , a unas 122 ua (1,83 × 10¹⁰ km; 1,13 × 10¹⁰ ^millas ) del Sol, entró en una nueva región que denominaron la "autopista magnética", un área que aún se encuentra bajo la influencia del Sol, pero con algunas diferencias drásticas ^{. [ 30 ]}   

Pioneer 10 fue lanzada en marzo de 1972 y, en 10 horas, pasó cerca de la Luna; durante los siguientes 35 años, aproximadamente, la misión sería la primera en salir, estableciendo muchos descubrimientos sobre la naturaleza de la heliosfera, así como el impacto de Júpiter en ella. ^{[ 61 ]} Pioneer 10 fue la primera nave espacial en detectar iones de sodio y aluminio en el viento solar, así como helio en el Sistema Solar interior. ^{[ 61 ]} En noviembre de 1972, Pioneer 10 se encontró con la enorme magnetosfera de Júpiter (en comparación con la de la Tierra) y la atravesaría y la heliosfera 17 veces, registrando su interacción con el viento solar. ^{[ 61 ]} Pioneer 10 envió datos científicos hasta marzo de 1997, incluyendo datos sobre el viento solar hasta aproximadamente 67 UA. ^{[ 62 ]} También se contactó con él en 2003 cuando se encontraba a una distancia de 7.600 millones de millas de la Tierra (82 UA), pero entonces no se obtuvieron datos de instrumentos sobre el viento solar. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

Voyager 1 superó la distancia radial al Sol de Pioneer 10 a 69,4 UA el 17 de febrero de 1998, porque viajaba más rápido, ganando aproximadamente 1,02 UA por año. ^{[ 65 ]} El 18 de julio de 2023, Voyager 2 superó a Pioneer 10 como el segundo objeto hecho por el hombre más distante del Sol. ^{[ 66 ]} Pioneer 11 , lanzada un año después de Pioneer 10 , tomó datos similares a los de Pioneer hasta 44,7 UA en 1995 cuando concluyó esa misión. ^{[ 64 ]} Pioneer 11 tenía un conjunto de instrumentos similar al de 10 pero también tenía un magnetómetro de puerta de flujo. ^{[ 65 ]} Las naves espaciales Pioneer y Voyager estaban en trayectorias diferentes y, por lo tanto, registraron datos en la heliosfera en diferentes direcciones generales lejos del Sol. ^{[ 64 ]} Los datos obtenidos de las naves espaciales Pioneer y Voyager ayudaron a corroborar la detección de una pared de hidrógeno. ^{[ 67 ]}

Se cree que en 2012 la Voyager 1 pasó por la heliopausa, y la Voyager 2 hizo lo mismo en 2018. ^{[ 68 ] [ 69 ]}

Las sondas gemelas Voyager son los únicos objetos artificiales que han entrado en el espacio interestelar. Sin embargo, aunque han abandonado la heliosfera, aún no han salido del límite del Sistema Solar, que se considera el borde exterior de la Nube de Oort . ^{[ 69 ]} Al pasar la heliopausa, el Experimento Científico de Plasma (PLS) de la Voyager 2 observó una fuerte disminución en la velocidad de las partículas del viento solar el 5 de noviembre, y desde entonces no ha habido señales de ello. Los otros tres instrumentos a bordo que miden rayos cósmicos, partículas cargadas de baja energía y campos magnéticos también registraron la transición. ^{[ 70 ]} Las observaciones complementan los datos de la misión IBEX de la NASA. En 2025, la NASA lanzó la Sonda de Aceleración y Mapeo Interestelar (IMAP) para aprovechar las observaciones de la Voyager . ^{[ 69 ]}

• 1904: Astrónomos que utilizan el Gran Refractor de Potsdam con un espectrógrafo encuentran evidencia del medio interestelar mientras observan la estrella binaria Mintaka en Orión . ^{[ 71 ]}
• 1958: Eugene Parker publicó un artículo que predecía el viento solar; su teoría fue inicialmente rechazada por la comunidad científica. ^{[ 72 ]}
• Enero de 1959: Luna 1 se convierte en la primera nave espacial en observar el viento solar. ^{[ 73 ]}
• 1962: Mariner 2 detecta el viento solar. ^{[ 74 ]}
• 1972–1973: Pioneer 10 se convierte en la primera nave espacial en explorar la heliosfera más allá de Marte, sobrevolando Júpiter el 4 de diciembre de 1973 y continuando enviando datos del viento solar hasta una distancia de 67 UA. ^{[ 64 ]}
• Febrero de 1992: Tras sobrevolar Júpiter, la nave espacial Ulysses se convierte en la primera en explorar las latitudes medias y altas de la heliosfera. ^{[ 75 ]}
• 1992: Las sondas Pioneer y Voyager detectaron radiación Ly-α dispersada resonantemente por el hidrógeno heliosférico. ^{[ 67 ]}
• 2004: Voyager 1 se convierte en la primera nave espacial en alcanzar el choque de terminación. ^{[ 30 ]}
• 2005: Las observaciones del viento solar realizadas por SOHO muestran que la forma de la heliosfera no es axisimétrica , sino distorsionada, muy probablemente bajo el efecto del campo magnético galáctico local. ^{[ 76 ]}
• 2009: Científicos del proyecto IBEX descubren y cartografían una región en forma de cinta de intensa emisión de átomos neutros energéticos . Se cree que estos átomos neutros se originan en la heliopausa. ^{[ 14 ]}
• Octubre de 2009: la heliosfera podría tener forma de burbuja, no de cometa. ^{[ 13 ]}
• Octubre de 2010: se detectaron cambios significativos en la cinta después de seis meses, según el segundo conjunto de observaciones de IBEX. ^{[ 58 ]}
• Mayo de 2012: Los datos de IBEX implican que probablemente no haya un "choque" de arco. ^{[ 16 ]}
• Junio ​​de 2012: A 119 UA , la Voyager 1 detectó un aumento en los rayos cósmicos. ^{[ 31 ]}
• 25 de agosto de 2012: Voyager 1 cruza la heliopausa, convirtiéndose en el primer objeto hecho por el hombre en abandonar la heliosfera. ^{[ 3 ]}
• Agosto de 2018: los estudios a largo plazo sobre la pared de hidrógeno realizados por la sonda New Horizons confirmaron los resultados detectados por primera vez en 1992 por las dos sondas Voyager . ^{[ 49 ] [ 50 ]}
• 5 de noviembre de 2018: Voyager 2 cruza la heliopausa, abandonando la heliosfera. ^{[ 4 ]}

• eyección de masa coronal
• resplandor de Fermi

• "La heliopausa parece tener 23 mil millones de kilómetros" . Universe Today. 9 de diciembre de 2003. Consultado el 8 de agosto de 2007 .
• «Las sondas espaciales revelan la forma de bala del Sistema Solar» . Revista COSMOS. 11 de mayo de 2007. Archivado del original el 13 de mayo de 2007. Consultado el 12 de mayo de 2007 .

• Schwadron, Nathan A.; et  al. (septiembre de 2011). "¿Afecta el entorno espacial a la ecosfera?". Eos, Transactions American Geophysical Union . 92 (36): 297– 298. Bibcode : 2011EOSTr..92..297S . doi : 10.1029/2011EO360001 . ISSN 0096-3941 . 
• Gough, Evan (7 de agosto de 2020). "Así es como realmente se ve el sistema solar" . Universe Today . Recuperado el 8 de septiembre de 2024 .

• Objetivos de la misión interestelar Voyager
• Página principal de NASA GALEX (Explorador de la Evolución Galáctica) en Caltech.
• Una gran sorpresa desde el borde del sistema solar. Archivado el 17 de junio de 2016 en Wayback Machine (NASA 06.09.11).