El proyecto Whole Sun: desentrañando los complejos mecanismos físicos detrás de nuestra estrella eruptiva y sus gemelos

Año de inicio
2019
Año fin
2026
Unidad organizativa
    General
    Descripción

    El Sol es una estrella activa magnéticamente cuyas erupciones violentas pueden impactar y deformar la magnetosfera terrestre y causar perturbaciones importantes en instalaciones tecnológicas en tierra y en órbita. The Whole Sun tiene como objetivo central abordar, de forma coherente y por primera vez, cuestiones actuales clave en Física Solar.

    Dichas cuestiones afectan tanto al interior del sol como a la atmósfera como un todo. Nuestra estrella, el Sol, es un cuerpo celeste magnéticamente activo; su atmósfera sufre erupciones violentas difíciles de predecir. Las mayores eyecciones, tras atravesar el espacio interplanetario, pueden impactar y deformar la magnetosfera terrestre y causar perturbaciones importantes en instalaciones tecnológicas en tierra y en órbita. La Astrofísica Solar lleva décadas de intensa investigación de los fenómenos físicos que determinan el comportamiento del Sol; sin embargo, preguntas fundamentales como ¿mediante qué proceso se genera el campo magnético en su interior y por qué posee un ciclo de actividad magnética?; ¿cuál es el mecanismo exacto de las grandes erupciones magnéticas en su atmósfera? ¿cómo están interrelacionados el interior y la atmósfera?  todavía permanecen sin respuesta satisfactoria. En el proyecto The Whole Sun, nuestro objetivo es abordar estas cuestiones clave que afectan tanto al interior como a la atmósfera como un todo coherente por primera vez.

    Hasta ahora, la investigación del Sol se ha hecho estudiando separadamente el interior solar, la baja atmósfera y la corona, sin tener una visión global integrada de la compleja dinámica de plasma que enlaza a esas regiones. Para entender y explicar cuantitativamente lo que está pasando en el interior y atmósfera solar hay que usar conceptos y resultados avanzados de física de fluidos, electromagnetismo, teoría cinética y, para la atmósfera, interacción radiación-materia; hay que aplicar técnicas refinadas de modelado teórico y numérico con supercomputadores masivamente paralelos, y llevar a cabo e interpretar observaciones en las avanzadas instalaciones en tierra y en el espacio de la actualidad.  En este proyecto, que reúne a cinco instituciones punteras de física solar en Europa, queremos alcanzar una comprensión más profunda de nuestra estrella relacionando la física del interior y de la atmósfera. Para hacer esto, hay que salvar problemas de solución compleja: consideración simultánea de escalas espaciales y temporales muy dispares, inclusión de microfísica compleja junto a física de continuos y efectos globales, puesta en relación de códigos de ordenador especializados en las diferentes regiones.  Nuestro objetivo es abordar estos desafíos desarrollando una profunda comprensión teórica de nuestra estrella y construyendo el código solar de resolución múltiple más avanzado posible en la actualidad.

    Resultados del reciente artículo de Nóbrega-Siverio et al. 2023
    Figura del artículo de Nóbrega-Siverio et al. 2023. Arriba. Observaciones de un CBP representativo observado el 1 de julio de 2022 a las 08:08:52 UT. (a), (b) Respuesta coronal caliente en EUV detectada por SDO/AIA 193 Å y SDO/AIA 171 Å, respectivamente. (c) Estructura cromosférica fría del CBP en el núcleo de la línea Hα observada con SST/CRISP. (d) Campo magnético fotosférico en la línea de visión  BLOS de SST/CRISP. (e) Perfiles Hα para diferentes regiones de las fibrillas oscuras (colores fríos) y brillos del núcleo (colores cálidos) marcados en el panel (c). El perfil promedio en todo el campo de visión se muestra como una línea discontinua negra. La intensidad de los perfiles se ha normalizado al valor de intensidad a 50 km s-1. Abajo. Modelado directo a partir del experimento numérico 3D CBP observado en el disco. (a), (b) Imágenes EUV sintéticas para SDO/AIA 193 Å y Solar Orbiter/EUI-HRI 174 Å, respectivamente. (c) Respuesta sintética en el núcleo de la línea Hα observada por SST/CRISP. (d) Campo magnético vertical Bz en la superficie solar. (e) Perfiles sintéticos de Hα para diferentes regiones de las fibrillas oscuras (colores fríos) y brillos del núcleo (colores cálidos) marcados en el panel (c).

     

    Investigador principal
    Gestor del proyecto

    Aspectos destacados

    Eyecciones en la atmósfera solar
    Aún existen muchas preguntas abiertas sobre fenómenos clave de eyección en la atmósfera solar, como los chorros coronales, los surges o los spicules. Hemos abordado diversos aspectos de estos eventos. Por ejemplo, hemos demostrado que las características de los surges y plasmoides observados que acompañan a los chorros coronales —así como la presencia de estructuras de doble cámara— guardan un notable parecido con las predicciones de modelos numéricos de chorros (Joshi et al. 2020). También hemos caracterizado por primera vez las propiedades cromosféricas y de la región de transición de los surges, combinando observaciones de alta resolución con técnicas avanzadas como k-means, inversiones y diagnósticos de densidad (Nóbrega-Siverio et al. 2021). Además, hemos contribuido a entender la respuesta coronal y de la región de transición a las recientemente reportadas excursiones rápidas al rojo descendentes (RREs, Bose et al. 2021).

    Hemos investigado el impacto de los chorros coronales sobre las protuberancias, tanto desde el punto de vista teórico mediante simulaciones numéricas 2.5D (Luna & Moreno-Insertis, 2021) como a través de observaciones multi-longitud de onda (Joshi et al. 2023), obteniendo una buena concordancia entre ambos enfoques. También se han analizado oscilaciones de gran amplitud en protuberancias desencadenadas por chorros y fulguraciones, revelando que flujos de plasma caliente procedentes de las fulguraciones pueden excitar oscilaciones longitudinales en filamentos a través de la conectividad magnética (Luna et al. 2024).

    Más recientemente, hemos utilizado observaciones coordinadas del SST, IRIS y SDO para estudiar un episodio efímero de emergencia de flujo magnético y la cadena posterior de eventos energéticos a pequeña escala, demostrando la importancia de los magnetogramas de alta resolución para desvelar los mecanismos que desencadenan fenómenos como EBs, explosiones UV y surges (Nóbrega-Siverio et al. 2024). Este enfoque coordinado también ha permitido revelar propiedades clave de chorros impulsados por reconexión magnética en regiones de polaridad mixta. En estos entornos, las topologías magnéticas en evolución —incluyendo cuerdas de flujo y puntos nulos— desencadenan chorros tanto calientes como fríos que muestran ensanchamientos, movimientos de torsión y caída de plasma, con los sitios de reconexión desplazándose a lo largo de las líneas de campo magnético. Estas dinámicas parecen ser características comunes de los chorros impulsivos en diversos contextos solares (Joshi et al. 2024a, 2024b).

    Además, una simulación MHD 3D, basada en una extrapolación de campo no libre de fuerza, ha aportado nueva información sobre el inicio y la evolución térmica de chorros coronales en regiones activas (Nayak et al. 2024).

    Puntos brillantes coronales (CBPs)
    Hemos desarrollado un modelo MHD radiativo 3D completo de un CBP utilizando el código Bifrost, basado en una configuración con punto nulo magnético, topología comúnmente asociada a este tipo de fenómenos. Nuestros resultados muestran que los CBPs pueden mantenerse durante varias horas gracias a la acción continua de movimientos convectivos estocásticos en la fotosfera, sin necesidad de flujos organizados o a gran escala como los flujos convergentes. También hemos detectado flujos ascendentes continuos con señal EUV débil, similares a chorros coronales oscuros, así como erupciones a pequeña escala cuando las fibrillas cromosféricas interactúan con el sitio de reconexión (Nóbrega-Siverio et al. 2023).

    Además, hemos explorado la contraparte cromosférica de los CBPs mediante observaciones y simulaciones, obteniendo una mejor comprensión del calentamiento del plasma confinado en los lazos a pequeña escala y de la cromosfera subyacente (Madjarska et al. 2021, Bose et al. 2023, Nóbrega-Siverio y Moreno-Insertis 2022).

    No equilibrio e ionización parcial
    Hemos estudiado los efectos del no equilibrio y de la ionización parcial en la dinámica y la termodinámica del plasma magnetizado emergente del interior solar mediante experimentos numéricos (Nóbrega-Siverio et al. 2020a). Para ello, se implementó un nuevo módulo en Fortran en el código Bifrost para calcular el término de difusión ambipolar en la Ley de Ohm generalizada de forma eficiente (Nóbrega-Siverio et al. 2020b). Más recientemente, hemos analizado dicho término desde una perspectiva matemática, identificando nuevas familias de soluciones auto-similares que pueden utilizarse como pruebas exigentes para códigos MHD que incluyan difusión ambipolar, tanto en coordenadas cilíndricas (Moreno-Insertis et al. 2022) como cartesianas (Moreno-Insertis et al., en preparación).

    Reconexión magnética
    Hemos implementado diversos modelos de resistividad en el código Bifrost para estudiar su impacto en el proceso de reconexión magnética y evaluar cuáles son más adecuados para reproducir fenómenos solares y facilitar diagnósticos para misiones espaciales actuales y futuras (Faerder et al. 2023, Faerder et al. 2024a, Faerder et al. 2024b).

    Observaciones de alta resolución de estructuras filamentosas en cintas de fulguración revelan evidencia de reconexión fragmentada en las hojas de corriente (Thoen Faber et al. 2025), mientras que simulaciones acopladas de tearing e inestabilidades térmicas muestran cómo se forman condensaciones dentro de cuerdas de flujo en la fase no lineal del proceso (De Jonghe & Sen 2025). Además, hemos estudiado las topologías magnéticas que conectan bombas de Ellerman en el Sol en calma con emisiones UV, identificando configuraciones clave como estructuras tipo abanico-columna y puntos nulos tridimensionales (Bhatnagar et al. 2025).

    Lluvia coronal
    Hemos investigado la lluvia coronal inducida por fulguraciones mediante simulaciones MHD resistivas con el código MPI-AMRVAC, modelando de forma autosostenida la formación y erupción de cuerdas de flujo magnético por reconexión espontánea en hojas de corriente. En la fase post-eruptiva, un desequilibrio térmico da lugar a un enfriamiento catastrófico y la formación de condensaciones que caen a lo largo de las líneas de campo como lluvia coronal. Las propiedades dinámicas y termodinámicas simuladas de estas condensaciones concuerdan con las observaciones de lluvia coronal post-eruptiva en la atmósfera solar (Sen et al. 2024).

    Sol en calma
    Un análisis estadístico de eventos de emergencia de láminas de flujo magnético en el Sol en calma muestra su contribución al presupuesto magnético fotosférico y su asociación con fenómenos a escala granular, como gránulos en expansión o con canales granulares (Díaz-Castillo et al. 2025).

    Polarización
    Hemos investigado el papel del acoplamiento angular y en frecuencia en la modelización de la polarización en las líneas Mg II h y k. Nuestros resultados indican cuándo es válida la aproximación de promedio angular y cómo incluir los efectos dependientes del ángulo de forma eficiente, especialmente en contextos observacionales como el de CLASP2 (del Pino Alemán et al. 2025).

    Satélites solares
    Hemos contribuido a la revisión de la misión IRIS (De Pontieu et al. 2021), destacando cómo ha mejorado nuestra comprensión de la formación y el impacto de chorros y espículas.

    También hemos participado en dos estudios relacionados con la misión propuesta Multi-slit Solar Explorer (MUSE) del programa MIDEX de la NASA, proporcionando observables sintéticos derivados de simulaciones realistas para demostrar el potencial diagnóstico de la misión (De Pontieu et al. 2022, Cheung et al. 2022).

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