El misterio de la corona

No, no se trata de una historia de suspenso en una monarquía europea. Se trata de la corona solar, esa gigantesca atmósfera eléctrica que envuelve el Sol y que sólo vemos durante los eclipses totales:

Cuando mostré esta foto hace unos meses dejé planteado un misterio: dije que había algo que parecía violar la Segunda Ley de la Termodinámica. Lectores atentos dejaron sus conjeturas y explicaciones. Voy a contar un poco más. El misterio es la elevadísima temperatura de la corona solar:

¿Si la superficie (la fotósfera) del Sol está a 5700 grados, cómo hace para "calentar" la corona, que se encuentra sobre ella, hasta un millón de grados? ¿Eh?

En la formulación de Clausius, la Segunda Ley de la Termodinámica dice algo que a todo el mundo le resulta familiar: el calor pasa de un cuerpo caliente a uno frío, y no al revés. Por eso cuando ponemos hielo en la Coca, el hielo se derrite y la Coca se enfría. Ah, pero cuando meto en la heladera la Coca recién comprada a temperatura ambiente, la heladera agarra su calor y lo manda de adentro (que está frío) para afuera (que está caliente). Explicameló, Clausius. Es que la Segunda Ley dice algo más: el calor no puede pasar de un cuerpo frío a uno caliente por sí solo. Puede hacerlo, pero hay que hacer trabajo, hay que gastar energía. Hay que tener la heladera enchufada.

¿Quién hace el trabajo para calentar la corona por encima de la temperatura de la superficie del Sol? Lo hace el campo magnético solar, pero andá a saber cómo. Éste es el misterio de la corona. Un misterio de 80 años, que recién ahora empieza a resolverse.

Hay varias explicaciones propuestas, y todavía no hay un consenso sobre el mecanismo principal. De todas ellas, la más razonable me parece  que es la que propuso un poco conocido físico sueco, Hannes Alfvén. A principios de los años 40, justo cuando se descubrió la enorme temperatura de la corona, Alfvén descubrió que en un fluido eléctrico (como la atmósfera solar) metido en un campo electromagnético, tenían que existir unas oscilaciones de presión, unas ondas magnetohidrodinámicas, hoy llamadas ondas de Alfvén. Al tipo le costó muchísimo que le creyeran. "Las ondas electromagnéticas no penetran en un material conductor, así que lo que Alfvén dice no puede ser. Además, si esas ondas existieran, ya las habría descripto Maxwell." Así le decían. Hasta que una vez Alfvén lo contó en una charla en Chicago, y en la audiencia estaba Enrico Fermi. "Of course," dijo Fermi, asintiendo con la cabeza. Al día siguiente todo el mundo dijo "of course". En fin. Por suerte al final al tipo le dieron el Premio Nobel de Física (1970), nada menos que por inventar toda una rama de la física, la magnetohidrodinámica.


Cálculos recientes (muy recientes), así como las observaciones del observatorio espacial Hinode y los primeros resultados de la Parker Solar Probe, parecen indicar que la explicación de Alfvén es la correcta: hay ondas que se propagan en el plasma de la corona, subiendo desde la fotósfera y la cromósfera, y que se disipan perdiendo energía y calentando la corona a partir de la estrechísima región de transición. Los otros fenómenos propuestos, mini-flares, reconexiones de loops magnéticos, etc., seguramente también ocurren, pero las ondas de Alfvén son el principal mecanismo, lejos.

Curiosamente, el misterio de la temperatura de corona apareció a fines de los años 30 como solución de otro misterio solar, que había aparecido 70 años antes durante la observación del espectro solar durante el eclipse del 7 de agosto de 1869. Otro día lo cuento. Se ve que los misterios del Sol son huesos duros de roer.

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Varonov AM, The theory of heating of the solar corona and launching of the solar wind by Alfvén waves, tesis doctoral de la Universidad de Sofia, arXiv:1903.07688 [physics.plasm-ph] (2019).

Swings P, Edlén’s identification of the coronal lines with forbidden lines of Fe x, xi, xiii, xiv, xv; Ni xii, xiii, xv, xvi; Ca xii, xiii, xv; A x, xiv. Astrophysical Journal 98:116-128 (1943). Aquí Swings dice: "A first theoretical attempt at explaining the origin of the high energy coronal particles has recently been published by H. Alfvén (Arkivf. Matem., Astr. och Fys., 27, A, No. 25, 1941)". Pero no conseguí ese artículo de Alfvén. El que sí conseguí es uno de Nature, que está interesante:

Alfvén H, Existence of electromagnetic-hydrodynamic waves, Nature 150:405-406 (1942).

Los primeros resultados de PSP están reseñados en este link en Nature, y en cuatro papers en ese número.

El cartoon es de xkcd (https://xkcd.com/1851/). El texto mouse-over dice: "Magnetohydrodynamics combines the intuitive nature of Maxwell's equations with the easy solvability of the Navier-Stokes equations. It's so straightforward physicists add "relativistic" or "quantum" just to keep it from getting boring." 🤣