La turbulencia en plasmas espaciales, incluida la que se observa en el viento solar, sigue siendo uno de los problemas no resueltos de la física. Este viento, formado por un flujo continuo de partículas que el Sol libera al espacio, muestra comportamientos mucho más complejos que los remolinos que vemos diariamente al revolver una taza de té. En lugar de simples movimientos caóticos, en el espacio aparecen fluctuaciones electromagnéticas que no deberían existir según los modelos tradicionales. Sin embargo, desde hace más de una década, diversas misiones espaciales han detectado estas variaciones en regiones donde el plasma tendría que permanecer estable, un hallazgo que ha abierto nuevas preguntas y ha impulsado el desarrollo de teorías alternativas.
En este contexto, un equipo del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile, integrado por el académico Dr. Juan Alejandro Valdivia, líder de la investigación, junto con el Dr. Benjamín Toledo y el Dr. Rafael Medina, desarrollaron un nuevo modelo teórico publicado en la revista The Astrophysical Journal, titulado: “Thermally Induced Electromagnetic Fluctuations by Protons and Alpha Particles in the Solar Wind”, que permite explicar parte de este fenómeno.
Su propuesta describe la presencia de fluctuaciones electromagnéticas, parte importante de la turbulencia, en el viento solar incluso en condiciones donde, según la teoría clásica, no deberían existir. El trabajo posiciona a la investigación nacional dentro del reducido grupo de teorías capaces de reproducir con notable similitud las fluctuaciones observadas en el viento solar. La investigación contó además con la colaboración del académico Dr. Roberto Navarro, de la Universidad de Concepción.
Un misterio del viento solar que desafía a la teoría clásica
El equipo chileno propuso una nueva aproximación para entender estas fluctuaciones, basada en el teorema de fluctuación–disipación, una herramienta clásica de la física estadística que describe cómo surge el “ruido” natural en sistemas alejados del equilibrio.
Aplicado al viento solar, este enfoque permite explicar por qué aparecen fluctuaciones electromagnéticas. “Había fluctuaciones donde uno naturalmente no esperaría que existieran, y eso nos llevó a formular una teoría para explicar este comportamiento. La turbulencia es un problema muy antiguo, estudiado por Einstein, Kolmogórov y muchos otros. Nosotros estamos tratando de entender cómo aparece esa turbulencia en plasmas como en el viento solar, la magnetósfera y otros ambientes espaciales y astrofísicos”, explica el Dr. Valdivia.
Un modelo que incorpora partículas alfa y tres décadas de observaciones
A diferencia de los gases en la Tierra, donde las partículas chocan constantemente y tienden al equilibrio, el espacio es prácticamente vacío y las colisiones son muy escasas. Por esta razón, los plasmas del viento solar pueden mantenerse lejos del equilibrio durante largos periodos, lo que favorece la aparición de fluctuaciones y comportamientos complejos que aún no se comprenden del todo.
En este entorno, el viento solar está formado principalmente por protones y electrones, pero también incluye partículas alfa, núcleos de helio cargados que, aunque representan una fracción menor, tienen un impacto importante en la estabilidad del plasma.
Para el equipo chileno, incorporarlas era esencial. “Una de las gracias del viento solar es que trae diferentes tipos de partículas, y al incluir partículas alfa vimos que ayudaban a explicar una parte importante del espectro de fluctuaciones”, señala el Dr. Valdivia.
Para poner a prueba su propuesta, los investigadores recurrieron a una base de datos excepcional: 30 años de mediciones continuas del satélite Wind de la NASA, algo prácticamente imposible de obtener en otros ambientes astrofísicos. Esta amplitud temporal permitió comparar directamente la teoría con el comportamiento real del plasma, un paso clave para validar el modelo. Los resultados muestran que la teoría desarrollada por el equipo explica un porcentaje relevante del espectro de fluctuaciones observado, posicionándose como uno de los pocos modelos capaces de reproducir con notable similitud este fenómeno que ha desconcertado a la comunidad científica por más de una década. Sin embargo, los científicos señalan que este trabajo aún está en proceso.
Implicancias para el clima espacial y proyecciones
Comprender estas fluctuaciones no es solo un desafío teórico, también es esencial para el estudio del clima espacial y sus impactos tecnológicos. “Medir y entender estas fluctuaciones te permite inferir parámetros del plasma, tanto en el viento solar como en otros sistemas”, detalla Valdivia. “Lo que estamos proponiendo parece aplicarse también a la magnetósfera y a otros entornos astrofísicos, lo que lo hace muy universal”, agrega.
El viento solar influye en:
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Las condiciones que enfrentan naves y satélites.
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La estabilidad de sistemas de comunicación.
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La dinámica de la magnetósfera terrestre.
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Fenómenos astrofísicos de alta energía.
Si bien aún son múltiples las incógnitas sobre el estudio de la turbulencia, el equipo considera que este trabajo representa un avance significativo y ya está generando impacto internacional. “Somos una de las pocas teorías que logra aproximarse al espectro que se observa en los datos”, afirma el investigador.
“La turbulencia ha sido de interés científico desde hace mucho tiempo. Es un proceso en el cual mucha gente ha trabajado y que seguimos trabajando. La idea es tratar de ir avanzando en cómo entender estos procesos, y aunque falta mucho para comprenderlo del todo, de a poco vamos avanzando”, concluye.