Enseñando a las computadoras a encontrar erupciones solares antes de que sucedan

La nave espacial ‘Solar Dynamics Observatory, SDO,’ capturó esta imagen de una gran llamarada solar en 2014.  
Crédito:
SDO/NASA.

Las técnicas sofisticadas de aprendizaje automático pueden finalmente responder una pregunta que los astrónomos se han planteado durante décadas: ¿qué hace que el Sol lance erupciones solares?

Predicción y búsqueda de patrones

¿Por qué estudiar las causas de las erupciones solares? Las llamaradas son solo un ejemplo de cómo el complejo campo magnético del Sol interactúa con su entorno de plasma dinámico. 
Crédito: NASA/GSFC/Observatorio de Dinámica Solar
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En los últimos años, los investigadores han explorado el uso del aprendizaje automático para comprender las causas de los estallidos solares, como las erupciones solares, y predecir su aparición. Las computadoras se destacan en filtrar montañas de datos y encontrar patrones sutiles que eludirían una búsqueda manual. Una vez que estos patrones han sido desenterrados, los investigadores pueden interpretarlos y modelarlos, generando nuevos conocimientos. Este proceso no solo puede ayudar a predecir las erupciones solares antes de que sucedan, sino que también podría ayudarnos a comprender el mecanismo físico que desencadena estos poderosos eventos y obtener una mejor comprensión del complejo entorno de plasma de la atmósfera del Sol.

En un nuevo estudio, un equipo dirigido por Magnus Woods (Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía y Laboratorio Solar y de Astrofísica de Lockheed Martin) aplicó un algoritmo de aprendizaje automático a los espectros solares ultravioleta para identificar señales de que una erupción solar es inminente, en caso de que existan tales señales.

Firmas espectrales de futuras fulguraciones

Una imagen de muestra del Sol de IRIS, que muestra estructuras retorcidas denominadas «mini-tornados». 
Crédito:
 NASA/IRIS/Pereira.

Woods y sus colaboradores utilizaron espectros del Espectrógrafo de Imágenes de la Región de la Interfaz (Interface Region Imaging Spectrograph, IRIS), una nave espacial en órbita terrestre dedicada a comprender la región de la atmósfera del Sol en la que la temperatura aumenta bruscamente de unos pocos miles de kelvin a millones de kelvin. El equipo seleccionó tres conjuntos de observaciones para el análisis: un Sol tranquilo (sin áreas de campos magnéticos intensos), región activa temporalmente inactiva (campos magnéticos intensos pero sin erupciones solares) y erupciones. Al comparar las observaciones que se sabe que contienen erupciones solares con aquellas que no las tienen, el equipo pretendía reducir las características espectrales que se asocian únicamente con las erupciones.

El equipo se centró en las líneas h y k de magnesio, que son características destacadas en el rango de longitud de onda monitoreado por IRIS. Su técnica de aprendizaje automático identificó un comportamiento interesante en estas líneas espectrales; por lo general, las líneas h y k tienen un pico doble, pero en las condiciones que preceden a una llamarada solar (hasta 40 minutos antes) conservan un solo pico.

Más para aprender

Los dos tipos de firmas espectrales asociadas con las condiciones previas a la llamarada. Los perfiles individuales están en negro y un perfil representativo está en naranja. Los datos se reportan en conteos por segundo. Crédito: Adaptado de Woods et al.  2021.

Woods y sus colaboradores descubrieron que las líneas de magnesio de un solo pico también aparecían en regiones activas temporalmente inactivas, pero eran mucho más frecuentes en las regiones previas a la llamarada. Las regiones activas temporalmente inactivas con líneas espectrales de un solo pico también exhibieron eventos de brillo a pequeña escala, no erupciones solares completas, sino más evidencia de que esta característica espectral está asociada con el calentamiento solar.

El equipo determinó que las características espectrales observadas estaban asociadas con el aumento de las temperaturas a unos 1.000 kilómetros sobre la superficie del Sol. Esto sugiere que las señales de advertencia de erupciones solares se generan en esta región, aunque se necesita más trabajo para confirmar este resultado. La enorme riqueza de datos espectrales y magnéticos solares hace que descubrir las firmas fugaces de las erupciones solares sea una tarea difícil, pero este trabajo deja en claro que el aprendizaje automático puede acercarnos un paso más a la comprensión de las causas de las erupciones solares.

El paper

«Unsupervised Machine Learning for the Identification of Preflare Spectroscopic Signatures», Magnus M. Woods et al 2021 ApJ 922 137. doi: 10.3847/1538-4357/ac2667.

Fuente: AAS NOVA.

Artículo original:Teaching Computers to Find Solar Flares Before They Happen‘. Kerry Hensley. January 31, 2022.

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Captura de regiones activas solares en el acto

Esta imagen tomada en el ultravioleta extremo de 17,1 nm del Sol, muestra regiones activas brillantes, los sitios de fulguraciones solares y la producción de eyección de masa coronal (CME). Crédito: NASA / STEREO.

Las ubicaciones de origen de las principales erupciones y CMEs en regiones activas emergentes.

Un equipo dirigido por Lijuan Liu (Universidad Sun Yat-sen, Universidad de Ciencia y Tecnología de China y Centro de Excelencia en Planetología Comparada, China) monitoreó 19 regiones activas en el Sol desde su formación hasta el momento en que produjeron una llamarada solar (fulguración) o un estallido explosivo de plasma solar magnetizado llamado eyección de masa coronal. Este estudio permitió al equipo identificar y caracterizar las líneas de inversión de polaridad, áreas donde cambia la dirección del campo magnético solar, de las cuales surgieron las erupciones y las eyecciones de masa coronal.

El siguiente artículo lo presenta y contiene además una selección de recursos sobre el tema:

Alerta: Una Gran Mancha Solar

 Desde Cannes, Francia, el astrónomo aficionado Francois Rouviere captó esta mancha solar AR 2936 en plena fulguración. Crédito: Francois Rouviere / Spaceweather.com.

La nueva mancha solar AR2936 se ha convertido rápidamente en una de las regiones activas más grandes del joven Ciclo Solar 25, cuadruplicando su tamaño en solo 48 horas.

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