¿Pueden las computadoras identificar los agujeros en el Sol?

Un agujero coronal es visible en el centro de esta imagen de rayos X del Sol. 
Crédito:
NASA / AIA.

¿Quieres poder predecir las ráfagas de partículas de alta energía que chocan contra la Tierra desde el Sol, desencadenando dramáticas tormentas geomagnéticas? Luego, primero deberás rastrear los agujeros en la atmósfera exterior del Sol. En un nuevo estudio, los científicos exploran si podemos entrenar computadoras para identificar estos patrones.

Seguimiento de la oscuridad

La atmósfera exterior del Sol, su corona , está lejos de ser uniforme. Tanto a través de la cara del Sol como con el tiempo, la corona varía en su densidad y apariencia correspondiente. Luce más brillante en algunas regiones y forma agujeros coronales grandes y oscuros en otras.

Los agujeros coronales representan regiones de plasma de baja densidad que contienen líneas de campo magnético que se abren al espacio en lugar de volver a la superficie del Sol. Estas áreas de líneas de campo abierto proporcionan un excelente punto de escape para el viento solar, las partículas de alta energía que fluyen del Sol.

Los agujeros coronales se forman donde las líneas del campo magnético se abren hacia el espacio (B) en lugar de volver a la superficie solar (A). 
Crédito:
Sebman81.

Por esta razón, identificar las ubicaciones, tamaños y escalas de tiempo para la formación y evolución de los agujeros coronales es fundamental para hacer predicciones. Con ellos se puede predecir el comportamiento del viento solar y pronosticar el clima espacial. Además, el seguimiento de los agujeros coronales a lo largo de los ciclos solares puede arrojar luz sobre cómo los campos magnéticos impulsan la actividad solar. Incluso puede ayudarnos a predecir mejor la próxima actividad solar.

Una vista de superficie completa

Entonces, ¿cómo identificamos y rastreamos los agujeros coronales? Es sorprendentemente difícil trazar un mapa de los agujeros en el Sol, ¡especialmente los grandes como estos! Los agujeros coronales a menudo no encajan en una sola imagen del disco solar, visto desde la Tierra. En cambio, tenemos que esperar a que el Sol gire durante su período de un mes y tomar imágenes sucesivas a medida que gira.

Para obtener una vista completa de toda la superficie solar, transformamos estas imágenes de disco individuales en un sistema de coordenadas compartido. Luego apilamos y combinamos las imágenes diarias dentro de cada período de rotación, creando lo que se conoce como un mapa sinóptico para cada rotación.

El proceso de elaboración de un mapa sinóptico a partir de imágenes diarias del disco solar. Crédito: NSO.

Si luego podemos identificar los agujeros coronales de manera uniforme dentro de cada uno de estos mapas sinópticos, tendremos un conjunto de datos útiles. Con ellos podemos estudiar cómo varían los agujeros coronales en la superficie del Sol y con el tiempo. En una nueva publicación, un equipo de científicos ha encontrado una forma de hacer esto que utiliza computadoras para hacer el trabajo pesado. El equipo fue dirigido por Egor Illarionov de la Universidad Estatal de Moscú, Rusia.

Entrenamiento de la máquina

Illarionov y sus colaboradores utilizan un conjunto de entrenamiento de imágenes diarias de discos solares para enseñar a una red neuronal convolucional. Este es un tipo de algoritmo de aprendizaje automático que es especialmente bueno para analizar imágenes, por ejemplo, cómo identificar los agujeros coronales. La fuerza de una red neuronal convolucional es que funciona igualmente bien analizando cualquier forma de imagen. Por lo tanto, los autores pueden utilizar este mismo algoritmo, una vez entrenado, para identificar con precisión los agujeros coronales en los mapas solares sinópticos.

Mapas sinópticos superpuestos y límites de agujeros coronales identificados por algoritmos (contornos verdes) para tres períodos de rotación solar diferentes. Dos durante los mínimos solares (ayc) y uno durante un máximo solar (b)
Crédito: Illarionov y col. 2020.

Con este enfoque, Illarionov y sus colaboradores construyen un catálogo de agujeros coronales que abarca el período 2010-2020. Llevan a cabo un análisis preliminar de la evolución de los agujeros coronales entre el mínimo solar y el máximo solar, y comparan estos mapas con mapas de flujo magnético en los mismos tiempos.

¿Quieres sumergirte tú mismo? Los autores ponen a disposición del público su código y los mapas de agujeros coronales resultantes. Con este conjunto de datos a mano, podemos esperar aprender pronto más de estos agujeros en el Sol.

El paper: “Machine-learning Approach to Identification of Coronal Holes in Solar Disk Images and Synoptic Maps.” Egor Illarionov et al 2020 ApJ 903 115. doi:10.3847/1538-4357/abb94d

Fuente: AAS-NOVA.

Artículo original: «Can Computers Identify Holes in the Sun? « Susanna Kohler. December 16, 2020.

Material relacionado

El SDO observa un enorme agujero coronal

Créditos: NASA / SDO.

Esta imagen del Sol fue capturada por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA del 17 al 19 de Mayo de 2016. Muestra un área oscura gigante en la mitad superior de la estrella, conocida como agujero coronal. Los agujeros coronales son regiones de baja densidad de la atmósfera del Sol, conocida como corona. Debido a que contienen poco material solar, tienen temperaturas más bajas y, por lo tanto, parecen mucho más oscuras que su entorno. Los agujeros coronales son visibles en ciertos tipos de luz ultravioleta extrema, que generalmente es invisible a nuestros ojos. Aquí está coloreada en púrpura para una fácil visualización.

Estos agujeros coronales son importantes para comprender el entorno espacial alrededor de la Tierra a través del cual viajan nuestra tecnología y los astronautas. Los agujeros coronales son la fuente de un viento de alta velocidad de partículas solares que sale del Sol. Es unas tres veces más rápido que el viento más lento en otros lugares. No está claro qué causa los agujeros coronales. Se correlacionan con áreas del Sol donde los campos magnéticos se elevan y se alejan, sin regresar a la superficie, como lo hacen en otros lugares.

Monitoreando los agujeros coronales

Una vista de un agujero en la corona del Sol desde el Observatorio de Dinámica Solar. Un nuevo estudio rastrea la tendencia de los agujeros coronales desde 1975 hasta 2014.
Crédito: NASA / SDO / helioviewer.

Los agujeros coronales son donde el viento solar rápido sale de la atmósfera del Sol, enviando partículas cargadas en trayectorias rápidas hacia el sistema solar. Un nuevo estudio examina cómo ha cambiado la distribución de los agujeros coronales durante los últimos 40 años.

Rastreando el origen del Viento Solar desde el espacio: el Orbitador Solar

El Viento Solar. Esta película muestra la región de origen calculada del viento solar que posteriormente alcanzó al Orbitador Solar. Más información.
Crédito: Solar Orbiter/EUI Team/ ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL, LFO/IO; Imperial College.

Los diez instrumentos científicos del Orbitador Solar se dividen en dos grupos. Hay seis telescopios de teledetección y cuatro instrumentos in situ. Los instrumentos de teledetección miran al Sol y su atmósfera extendida, la corona. Los instrumentos in situ miden las partículas alrededor de la nave espacial. Estas han sido liberadas por el Sol y se conocen como viento solar, junto con sus campos magnéticos y eléctricos. Rastrear el origen de esas partículas y sus campos hasta la superficie solar es uno de los objetivos clave de Solar Orbiter.

Sobre las raíces profundas del viento solar

La atmósfera del sol está rodeada de campos magnéticos (líneas amarillas). Las áreas con campos magnéticos cerrados dan lugar a un viento solar lento y denso (flechas rojas cortas, discontinuas). Mientras que las áreas con campos magnéticos abiertos, los llamados «agujeros coronales», producen corrientes de viento solar rápidas y menos densas (flechas más largas rojas sólidas). Existen agujeros coronales permanentes en los polos solares. Los agujeros coronales a veces pueden ocurrir más cerca del ecuador solar, como se muestra aquí justo a la derecha del centro. 
Crédito de la imagen: imagen del 18 de septiembre de 2003 del telescopio de imágenes ultravioleta SOHO Extreme, ESA / NASA. 
Haga clic aquí para obtener una copia con resolución de impresión de 4.8 meg de esta imagen (formato tif)

Se puede usar una capa profunda en la atmósfera solar para estimar la velocidad del viento solar. Este último es una corriente de gas electrificado que sopla constantemente desde el Sol. La estimación de la velocidad del viento solar mejorará los pronósticos del tiempo espacial. Esto aumentará nuestra capacidad para proteger las comunicaciones, la navegación y otros satélites de los efectos de las tormentas solares. También podremos advertir a los exploradores humanos en su camino hacia los planetas de la severidad de esas tormentas.

El viento solar fluye desde la cálida y delgada atmósfera exterior del Sol, la «corona». Los investigadores descubrieron que la estructura de la atmósfera baja más fría y densa del Sol ( cromosfera), podría usarse para estimar la velocidad del viento solar.

Esto fue inesperado porque el viento solar se origina en la corona y la cromosfera es mucho más profunda. Esta última se encuentra justo encima de la superficie visible del Sol. «Es como descubrir que la fuente del río Nilo está otras 500 millas tierra adentro», dijo el Dr. Scott McIntosh autor principal del estudio. La siguiente publicación lo presenta.

Curiosidades

Cerrando una brecha: el viento solar en la lejanía de Plutón

Los datos del entorno espacial recopilados por New Horizons a lo largo de 1.6 mil millones de kilómetros de viaje a Plutón son importantes. Jugarán un papel clave en las pruebas y mejora de los modelos del entorno espacial en todo el Sistema Solar. Esta visualización es un ejemplo de tal modelo: muestra el entorno espacial simulado a Plutón unos meses antes del acercamiento máximo de New Horizons. Sobre el modelo se dibuja la trayectoria de New Horizons hasta 2015, así como la dirección actual de las dos naves espaciales Voyager. Estas últimas actualmente se encuentran a tres o cuatro veces la distancia de New Horizons del Sol. El viento solar que encontró New Horizons llegará a la nave espacial Voyager aproximadamente un año después. Ver video.
Créditos: Estudio de visualización científica del Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA. Centro de Investigación del Clima Espacial (SWRC) y Centro de Modelado Coordinado por la Comunidad (CCMC). Enlil y Dusan Odstrcil (GMU).

Cuando New Horizons pasó a toda velocidad por Plutón el 14 de Julio de 2015, tomó las mejores fotografías jamás vistas de la superficie del mundo rocoso. Esto nos dio una nueva perspectiva de su geología, composición y atmósfera. Estas impresionantes imágenes son el resultado más famoso de New Horizons. Pero la nave espacial también envió más de tres años de mediciones del viento solar, desde una región visitada por sólo unas pocas naves espaciales.   

Este conjunto de observaciones sin precedentes nos da un vistazo a una parte casi completamente inexplorada de nuestro entorno espacial. De ese modo llenan una brecha crucial entre lo que otras misiones ven más cerca del Sol y lo que las naves espaciales Voyager ven más lejos. Un nuevo estudio presenta las observaciones de New Horizons de los iones del viento solar que encontró en su viaje. Entérate de ellos en el artículo siguiente:

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