Llevando las manchas solares de Galileo al siglo XXI

¿Puede el aprendizaje automático ayudarnos a traducir los dibujos de #manchas solares de Galileo en observaciones modernas como las producidas por el Observatorio de Dinámica Solar? 
Créditos: [Izquierda: Proyecto Galileo; Derecha: NASA / SDO / LMSA.

Los astrónomos han elaborado mapas detallados de puntos oscuros en la superficie del Sol desde la época de Galileo. Hoy en día, tenemos una gran cantidad de naves espaciales modernas que hacen estas observaciones por nosotros. Estas trazan continuamente los cambios en los patrones de manchas solares y los campos magnéticos solares. ¿Pueden las computadoras ayudarnos a tender un puente entre estos conjuntos de datos históricos y modernos?

Un récord de larga duración

Torre solar de 46 metros del Observatorio de Monte Wilson, donde se han realizado dibujos diarios de manchas solares desde 1912. Agrandar.
Crédito:
Susanna Kohler.

Todos los días despejados desde 1912, un observador en el Observatorio de Monte Wilson, cerca de Los Ángeles, se ha dedicado a una tarea. Ha dibujado a mano un mapa de los puntos oscuros en la cara del Sol, trazadores de actividad magnética en y debajo de la superficie solar. Esta meticulosa práctica se remonta a hace mucho tiempo: ¡los primeros dibujos de manchas solares que se conocen son del año 1128 D.C.! Quizás el más famoso entre los astrónomos que han emprendido esta tarea es Galileo. Su telescopio temprano le permitió registrar cambios detallados en la geometría de las manchas solares durante un lapso de varios meses en 1612.

Los registros históricos de manchas solares han proporcionado información valiosa sobre el comportamiento de nuestra estrella más cercana. Pero hoy, también podemos recopilar datos solares más sofisticados. Los telescopios espaciales como el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) monitorean la emisión del Sol en una variedad de longitudes de onda. Producen magnetogramas que revelan la disposición del campo magnético a través de la superficie del Sol. Estas observaciones modernas nos permiten explorar el flujo magnético del Sol y la luz emitida desde las regiones solares activas. Es una información que puede decirnos más sobre cómo evoluciona la actividad del Sol y cómo impacta a la Tierra.

¿Qué pasaría si pudiéramos obtener este mismo nivel de conocimiento de los dibujos históricos de manchas solares diarias? Dirigido por Harim Lee, un equipo de científicos de la Universidad Kyung Hee en la República de Corea ha asumido el desafío. Es decir, traducir los dibujos de manchas solares en algo que se asemeje más a los datos satelitales modernos.

Enseñar a una computadora a traducir dibujos

Fotografía de un dibujo de una mancha solar realizado en el Observatorio de Monte Wilson.
Crédito: Observatorio de Monte Wilson.

Lee y sus colaboradores reconocieron que los más de 100 años de dibujos diarios de manchas solares del Observatorio de Monte Wilson tienen un beneficio significativo. Existe una superposición entre estos dibujos y los datos de los satélites modernos. Los autores compilaron un conjunto de más de mil Dibujos de manchas solares de Monte Wilson de 2011 a 2015. Luego las emparejaron con las correspondientes imágenes y magnetogramas diarios ultravioleta / ultravioleta extremo (UV / EUV) capturados con SDO.

El siguiente paso: entrenar una computadora para mapear entre los conjuntos de datos. Utilizando un conjunto de entrenamiento de 1046 pares de dibujos de manchas solares e imágenes SDO, Lee y sus colaboradores desarrollaron un modelo de aprendizaje profundo. Éste, toma un dibujo de manchas solares como entrada. Genera entonces un magnetograma y un conjunto de siete imágenes SDO simuladas en diferentes longitudes de onda UV / EUV, como salida.

Comparación entre imágenes SDO reales (imagen izquierda de cada par) y las generadas por el modelo (imagen derecha de cada par) para las observaciones de manchas solares el 8 de junio de 2014. Agrandar imagen
Crédito: Lee y col. 2021
.

Luego, los autores utilizaron los 204 pares restantes de dibujos de manchas solares y observaciones SDO para evaluar el éxito de su modelo. Demostraron que reproduce con precisión las estructuras bipolares de los magnetogramas y la geometría aproximada de las regiones activas del Sol.

Aplicando el modelo a los dibujos de Galileo

Finalmente, Lee y sus colaboradores aplicaron su modelo a los dibujos de manchas solares originales de Galileo de 1612. Generaron así imitaciones de imágenes SDO y magnetogramas de hace más de cuatro siglos.

Los autores señalan que este método único de modernizar los datos históricos es, por supuesto, limitado en lo que puede reproducir. Pero nos proporciona una visión inusual de la evolución a largo plazo de los campos magnéticos y la radiación de nuestro Sol.

El Paper

“Generation of Modern Satellite Data from Galileo Sunspot Drawings in 1612 by Deep Learning,” Harim Lee et al 2021 ApJ 907 118. doi:10.3847/1538-4357/abce5f.

Fuente: AAS-NOVA.

Artículo original: «Bringing Galileo’s Sunspots into the 21st Century«.  Susanna Kohler. February 15, 2021.

Material relacionado

Dibujos diarios de manchas solares en la torre solar de 150 pies del Observatorio de Monte Wilson

Los dibujos de manchas solares diarios (sinópticos) realizados en la torre solar de 150 pies se iniciaron el 4 de Enero de 1917. Antes de esta fecha, los observadores solían hacer bocetos de manchas solares. Se construyó un micrómetro de placas paralelas para medir visualmente la intensidad del campo magnético de las manchas solares. Fue a partir de ese momento que los dibujos solares se convirtieron en parte de la rutina de observación regular. Todos estos dibujos se han archivado y, en 2007, había más de 27.000 en archivo.

Puedes continuar leyendo esta historia en:

El sito de la Torre de Observación Solar de Monte Wilson:

El registro de Manchas solares del Observatorio Real de Bélgica

El edificio y la cúpula de la Mesa Ecuatorial Solar Uccle. La plataforma USET contiene 4 telescopios. 2 para observaciones de luz blanca (uno para dibujos, uno para imágenes CCD). Uno para observaciones H-alfa (una línea en la parte roja de la luz visible). Finalmente uno para Ca-K (una línea en la parte azul de la luz visible).
Crédito: Royal Observatory of Belgium.

El Real Observatorio de Bélgica (ROB) ha desempeñado un papel fundamental en el estudio del número de manchas solares. Ya desde mediados del siglo XIX, se observaron manchas solares en ROB. En 1908, Mons. Eugène Spée (1843-1924), un sacerdote jesuita, comenzó a tomar fotografías de la superficie solar utilizando un heliógrafo Grubb. Éste estaba colocado en la torre de la cúpula solar.

Desde 1939, ROB comenzó a enviar dibujos de manchas solares y sus recuentos al Centro Mundial de Datos para el Número de Manchas Solares. Este último estaba ubicado en el Observatorio de Zürich en Suiza. Esto se llevó a cabo durante más de 40 años, hasta que en 1981, el World Data Center se transfirió de Zürich al ROB en Bélgica. El World Data Center en el ROB se llama ‘SILSO‘, que significa Sunspot Index y Long-term Solar Observations ( http://sidc.be/silso/ ). SILSO es EL Centro mundial de datos responsable de recopilar observaciones y recuentos de manchas solares de una red internacional y mundial de estaciones de observación. Además produce el Número Internacional de manchas solares.

Más de 23000 dibujos de manchas solares adquiridos desde Marzo de 1940 forman parte de la colección USET. USET son las siglas de Uccle Solar Equatorial Table ( http://sidc.oma.be/uset/). Se refiere a la mesa donde se coloca toda la «flota» de telescopios solares.

El siguiente artículo lo presenta:

Dibujo Solar

Una guía completa con instrucciones paso a paso, en forma de tutoriales ilustrados, de cada fase durante la creación de un boceto solar, se encuentra en:

  • Solar Sketching. Erika Rix, Kim Hay, Sally Russell, Richard Handy. Springer-Verlag New York. 2015.

Curiosidades

Rescatando el monumental trabajo de una observadora solar amateur: Hisako Koyama.

La Sra. Koyama con el telescopio de 20 cm que usó en el Museo Nacional de la Naturaleza y la Ciencia de Tokio, en 1951.
Crédito: Asahigraph.

Pocas personas han oído hablar de Hisako Koyama,  a pesar de que esta  observadora solar dedicada, nacida en Tokio en 1916, creó uno de los registros de manchas solares más importantes de los últimos 400 años, según una nueva investigación.

La publicación a continuación lo expone y contiene una selección de recursos sobre las Manchas Solares y su registro:

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