PLASMA EN EL UNIVERSO

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Capítulo 4

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Sol

En el Sol encontramos toda una gama de ejemplos de estructuras fibrosas helicoidales con corrientes de Birkeland fluyendo a lo largo de las líneas de fuerza de los campos magnéticos locales: protuberancias (1011 A), espículas, corrientes coronarias, erupciones y otras más. El Sol es la fuente del campo magnético en forma de espiral de Arquímedes (formada por la rotación del Sol), en el cual se encuentra inmerso la totalidad del sistema solar. La zona influida por el campo magnético del Sol se le conoce como heliósfera. La sonda Voyager 1 (Viajero 1, por su nombre original en inglés) alcanzó en el 2005 la frontera con la heliósfera (heliopausa), la cual es estimada que se encuentra alejada de nosotros entre las 110÷160 Unidades Astronómicas (1 UA = 150 millones de kilómetros). Se espera que el generador termoeléctrico de radiosótopo durará hasta el 2020, lo cuál podría ser suficiente tiempo para enviar datos valiosos acerca del viento solar en la heliopausa. En la heliopausa el Voyager detectó una caida en la velocidad del viento solar desde 1.6 millones de km/hr hasta 250 mil km/hr, puesto que la heliopausa es el lugar donde el viento solar colisiona con el viento estelar. El detector de rayos cósmicos, magnetómetro, detector de ondas de plasma y el detector de partículas cargadas de baja energía del Voyager están operacionales y todavía mandando datos de vuelta a la Tierra, al día de hoy, Junio del 2005. Desde el Sol se expulsa una corriente ininterrumpida de partículas neutrales y cargadas eléctricamente, a la cual llamamos viento solar.

Sol

Viento Solar que rodea a la Tierra

Concentración: quizá 30 partículas en un cm3
Velocidad: 500 km/s
Temperatura: 50 eV (1 eV ~ 10 000 K) 
Campo magnético: 20 nT (200 microgauss)

 

Campo magnético Solar

Campo magnético Solar

Forma del campo magnético Solar. A la derecha, superficie de campo nulo.

 

Magnetósfera de nuestro Sol

Magnetósfera de nuestro Sol

 

1083 nm (IR)30,4 nm (UV)19,5 nm (UV)Mìkké RTG

Fotos de la misma zona Solar en diferentes longitudes de onda. El cuarteto de formaciones luminosas en la parte superior son manchas solares. En el intervalo óptico estas manchas serían más oscuras que sus alrededores, ¡ pero en la zona de onda corta por el contrario son más luminosas!
1) 1083 nm (He I); National Solar Observatory, Kitt Peak (Arizona) 12.10.1997
2) 30.4 nm (He II), Soho EIT (Ultravioleta extremo), 13.10.1997
3) 19.5 nm (FeXII), Soho EIT (Ultravioleta extremo), 13.10.1997
4) Rayos X suaves, telescopio Yohkoh de rayos X suaves, 11.10.1997

 

Active filamentsProtuberanceRomeo and JulietSunquake

1) Estructura filamentaria de la parte brillante alrededor de una mancha solar. Fotografía en la línea espectral del hidrógeno.
2) Protuberancia influida por el campo magnético. Sonda Soho, 1996.
3) Caída de dos cometas, Romeo y Julieta (Soho 54 y Soho 55) dentro del Sol, 1.6.1998.
4) Heliómoto. Las ondas sísmicas fueron capturadas por la sonda Yohkoh, 6.7.1996. Velocidad de propagación de la onda ~ 100 000 km/s

Magnetósfera planetaria

El campo bipolar original de los planetas esta deformado por la interacción con el viento solar, y eso se convierte en la forma característica de las magnetosferas. Justo en la cercanía planetaria por lo regular se encuentra la plasmósfera corrotando al planeta; en el sentido hacia el Sol encontramos la onda de choque, en la cual los parámetros del viento solar cambian abruptamente. En la dirección desde el Sol se prolonga una cola de plasma. El sistema plasmático circunscribe la frontera de la capa magnetosférica. En las zonas polares, por la acción de partículas cargadas atrapadas, se forma una superficie de descarga eléctrica característica – el brillo polar. La corriente fluye en las superficies a lo largo de las líneas de fuerza del campo planetario y se trata de la así llamada corriente de Birkeland.

Magnetósfera Terrestre. En la plasmósfera corrotante la temperatura de las partículas es de 1 eV, en la cola plasmática es 1 hasta 10 eV, con una concentración de partículas de 0.5 cm−3. La cola plasmática se prolonga hasta incluso centuplicar el radio de la Tierra y tiene un grosor de 20 radios terrestres. La frontera de la capa magnetosférica separa el campo magnético de la Tierra de los alrededores y tiene una concentración de partículas de 1 cm−3.

Magnetosféra terrestre

Magnetósfera de Júpiter es semejante a la magnetósfera del resto de los planetas. Además tiene el así llamado toro plasmático. La actividad volcánica de su luna Io arroja plasmas ricos en sulfuros, la cual a lo largo de toda su trayectoria crea un amplio toro plasmático. A lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético del planeta Júpiter (perpendicular al toro) fluye una corriente de Birkeland, la cual se cierra a través de la luna Io y en la calienta parcialmente. El tamaño de esta corriente de Birkeland se estima en unos cuantos millones de Amperes. La corriente de Birkeland contribuye junto con las fuerzas de marea, al calentamiento de la luna y al mantenimiento de su actividad volcánica.

Magnetosféra de Jupiter

 

Actividad volcánica en Io Actividad volcánica en Io Actividad volcánica en Io

Actividad volcánica en Io
1) Volcán Prometheus en Io, sonda Galileo 1998.
2) Volcán Pele, HST (WFPC 2, 1997).
3) Volcán en Io.

Magnetósfera de Saturno tiene también un toro plasmático, similar al de Júpiter. El toro de plasma de Saturno es la más grande de las estructuras plasmáticas en el sistema solar [después del Sol mismo y del plasma en forma de espiral que se encuentra dentro de la heliósfera, N. del T.]. Alcanza desde 15 veces el radio de Saturno y hasta 25 veces el radio del planeta. Dentro del toro hay aproximadamente 3 000 partículas en un cm3.

El toro de plasma de Saturno

Magnetósfera de los cometas. También los cometas tienen su magnetósfera. Por ejemplo, en el muy conocido cometa Halley, en su último paso cerca de la Tierra, fue medido el campo magnético de su cola en 70 nT (700 microgauss), la concentración de partículas es de 1 000 por cm3 y su temperatura es de 1.5 eV (1 eV ~ 10 000 K). En el cometa Hyakutake del año 1996 fue encontrada en su cola una fibra plasmática enredada y el satélite ROSAT detectó radiación de rayos X saliendo del núcleo.

Comet Hyakutake 20.3.1996Comet Hyakutake. Nucleus in X-ray, ROSAT

Hyakutake, 1996. 1) Fibra plasmática enredada.
2) Núcleo en rayos X (ROSAT)

Atmósfera planetaria

En la atmósfera de los planetas el plasma se encuentra sobre todo en una amplia zona ionizada – la ionósfera. De la atmósfera terrestre la capa más conocida, desde el punto de vista plasmático, es la capa F (140 hasta 1000 km.), en la cual se alcanzan concentraciones de partículas ionizadas de hasta 106 en un solo cm3. En la ionósfera de Venus fue detectada una fibra de conductiva con corriente de Birkeland con una longitud de hasta 20 Km. Otros fenómenos interesantes son las descargas electrostáticas en las atmósferas – los relámpagos. La energía típica de un rayo terrestre es de  6×108 J, los rayos en Venus tienen una energía de alrededor de 2×1010 J y en Júpiter of 3×1012 J.

En las zonas polares ocurre una descarga conductiva en forma de superficie – el brillo polar. En la Tierra son observados con frecuencia filamentos en la dirección longitudinal con un largo de quizá unos 100 m. El brillo polar ha sido observado incluso en Júpiter y Saturno.

AuroraAurora - JupiterAurora - Jupiter

Brillo polar: 1) Alaska 1998, 2) polo sur de Júpiter,
3) polo norte de Júpiter

Nebulosas

En muchas nebulosas observamos estructuras fibrosas helicoidales. Aquí no tenemos una observación directa, la cual confirmaría que se trata de filamentos con corriente de Birkeland, pero existen indicios indirectos: la observación del brillo sincrotrónico polarizado, el cual surge únicamente en las zonas con campos magnéticos y la detección de manifestaciones de partículas de alta energía, las cuales pueden ser aceleradas precisamente por una estructura de estrujamiento (pinch). Por plasma se puede considera incluso una amplia gama de hidrógenos neutros (región H I). Si bien el grado de ionización es en estas nebulosas tan solo de 10−4, dado su gran tamaño incluso esta concentración es suficiente para un marcado comportamiento colectivo (la nebulosa reacciona a los campos globales, tanto eléctricos como magnéticos).

Amplias estructuras fibrosas son observadas particularmente entre los restos de una explosión de supernova. Del brillo que nos llega desde la nebulosa del Cangrejo, se conjetura la presencia de un campo magnético de unos 16 nT.

N 132 d

Restos de la explosión de la supernova N 132 D en las Grandes Nubes Magallánicas. HST (WFPC 2, 1995). En la foto se pueden apreciar las típicas estructuras fibrosas.

Galaxias

En el centro de nuestra galaxia son monitoreados algunos filamentos con una longitud de unos 60 pc, los cuales recuerdan una soga retorcida y tienen entonces estructuras helicoidales. Probablemente se trata también de estructuras plasmáticas sostenidas por un campo magnético. El tamaño de este campo y la corriente están fundados en supuestos sobre extrapolaciones dimensionales muy poco precisas. También en radio galaxias, los núcleos activos de las galaxias y en los chorros (jets) expulsados por quasares son observadas amplias estructuras fibrosas. Los mismos chorros de los quasares son plasmas calientes altamente colimados.

M 87 - HST M 87 - VLT

Centro de la cercana galaxia gigante M 87. En el centro hay un agujero negro masivo con chorros de altas energías (jets). El chorro contiene partículas cargadas eléctricamente, moviéndose rápidamente y está compuesto de fibras transversales con dimensiones de 10 años luz. El carácter del chorro responde a un modelo de agujero negro con un disco de acreción grueso.


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Traducción: Arturo Ortiz Tapia, 2005