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Proyectos de investigación astrofísica

El Sol y el Sistema Solar

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Magnetismo, Polarización y Transferencia Radiativa en Astrofísica (P/300725)

TANAUSÚ DEL PINO ALEMAN

Javier Trujillo Bueno, Melania Cubas Armas, Nikolas Vitas, Supriya Hebbur Dayananda, Reza Rezaei, Andrii Sukhorukov, Jaume Bestard, Andrés Asensio Ramos, Fernando Moreno Insertis, Héctor Socas Navarro, Ernest Alsina Ballester, Ana Belén Griñón Marín 

Colaboradores del IAC: María Jesús Martínez González, Iñigo Arregui Uribe-Echevarria, Cristina Ramos Almeida, Carlos Allende Prieto, Manuel Collados Vera, Basilio Ruiz Cobo 

M. Bianda, L. Belluzzi, R. Ramelli (Istituto Solari Ricerche, Suiza); R. Casini, R. Centeno, J. de la Cruz Rodríguez (University of Stockholm, Suecia); N. Shchukina (Main Astronomical Observatory; Kiev; Ucrania); H. Uitenbroek (NSO, EEUU); D. Mckenzie (University of Alabama, Huntsville); R. Ishikawa (NAOJ); F. Auchére (IAS); J. Stepan (Astronomical Institute, Czech Republic)

Introducción

Los campos magnéticos están presentes en todos los plasmas astrofísicos y controlan la mayor parte de la variabilidad que se observa en el Universo a escalas temporales intermedias. Los tenemos en estrellas a lo largo de todo el diagrama de Hertzsprung-Russell, en galaxias, e incluso quizás en el medio intergaláctico. La polarización de la luz nos proporciona la fuente más fiable de información para la teledetección de campos magnéticos en Astrofísica, incluyendo los campos magnéticos del Sol. En particular, el diagnóstico de campos magnéticos en las atmósferas del Sol y de otras estrellas requiere de la medida e interpretación física de señales de polarización en líneas espectrales, las cuales son inducidas por varios mecanismos físicos que operan a las escalas atómicas. Además del efecto Zeeman, hay muchos otros mecanismos físicos que producen polarización en la radiación electromagnética. Por ejemplo, la polarización de los niveles atómicos o moleculares inducida por el bombeo óptico de un campo de radiación anisótropo, las interferencias cuánticas entre niveles de estructura fina o hiperfina, el efecto Hanle, etc. La polarización generada por tales mecanismos es sensible a las condiciones físicas del plasma astrofísico en consideración y, en particular, a la presencia de campos magnéticos en un rango de intensidades que va desde valores tan bajos como 1 microgauss hasta varios miles de Gauss.

El principal objetivo de este proyecto es explorar, en profundidad, la física y el origen de la radiación polarizada en plasmas astrofísicos, así como su utilidad como medio de diagnóstico para descifrar y entender la actividad magnética en Astrofísica, con énfasis en el magnetismo de la atmósfera solar. Nuestras investigaciones involucran:

- la física de la polarización, lo que requiere profundizar en la teoría cuántica de la interacción radiación-materia, teniendo en cuenta procesos de "scattering" en presencia de campos magnéticos y eléctricos.

- el desarrollo de técnicas de diagnóstico de plasmas para la exploración de campos magnéticos en Astrofísica, con particular interés en descifrar el complejo magnetismo de la atmósfera solar, envolturas circunestelares y nebulosas planetarias.

- observaciones espectropolarimétricas y su interpretación en términos de modelos físicos.

- desarrollo de métodos numéricos para la solución de problemas de transporte radiativo sin suponer equilibrio termodinámico local, con aplicaciones a modelos tri-dimensionales de atmósferas estelares resultantes de simulaciones magneto-hidrodinámicas.

- espectroscopia y espectropolarimetría atómica y molecular, con aplicaciones en varios campos de la Astrofísica.

Este Proyecto está formado por un grupo de científicos convencidos de la importancia de complementar investigaciones teóricas, observacionales e instrumentales para hacer frente a algunos de los retos actuales de la Astrofísica.

Hitos 

1) Hemos aplicado, por primera vez en Física Solar, técnicas de aprendizaje profundo ("deep learning") para la estimación rápida de campos de velocidad paralelos a la superficie solar. Para ello, desarrollamos una red neuronal que toma dos imágenes consecutivas de la granulación solar y devuelve el vector velocidad. Este método permite medir campos de velocidad para cada pixel en intervalos de tiempo de 30 s, mejorando ampliamente a los métodos anteriores (que necesitan varios minutos u horas y campos de varios segundos de arco).

2) Observaciones espectro-polarimétricas del telescopio Hinode, procesadas con una nueva técnica de análisis desarrollada en este trabajo, nos han permitido confirmar por primera vez la predicción teórica de que la polarización lineal en líneas prohibidas tiene el signo opuesto a las líneas permitidas, como resultado de estar dominadas por la transición de dipolo magnético. Estas observaciones abren una nueva ventana para estudios de la abundancia solar de oxígeno, ofreciendo un método alternativo de desentrañar el blend de Ni I de la línea de [O I] en 630.03 nm, que tiene la ventaja de una física de formación simple en LTE.

3) Desde los años 80 se ha intentado observar la posible presencia de oscilaciones torsionales en manchas solares, en las que el campo magnético se retuerce en un sentido y en otro. Según argumentos teóricos, estas oscilaciones, de existir tendrían periodos de varias horas a días. Debido a lo extremadamente largos que son estos periodos y a la necesidad de medir la orientación del campo magnético, el problema es observacionalmente muy complejo. Diversos trabajos anteriores afirman haber encontrado estas oscilaciones con características muy dispares, siempre de forma muy marginal. El instrumento HMI a bordo del satélite SDO nos permite por primera vez atacar este problema de forma adecuada, permitiendo observar desde el espacio con cobertura temporal ininterrumpida. Concluimos que no existen tales oscilaciones con amplitudes superiores a un grado, lo que refuta resultados anteriores como falsas detecciones.

4) Se ha publicado en The Astrophysical Journal Letters los primeros resultados del experimento internacional CLASP (Chromospheric Lyman-alpha Spectropolarimeter), el cual fue motivado por investigaciones teóricas realizadas por nuestro grupo. Dicho instrumento, lanzado el 3 de Septiembre de 2015 por un cohete suborbital de la NASA, ha permitido descubrir señales de polarización lineal en la radiación de la línea Lyman-alpha del hidrógeno y confirmar así las predicciones teóricas. Estos resultados abren una nueva ventana para la exploración del magnetismo y la complejidad geométrica de la enigmática región de transición entre la cromosfera y corona.

5) Trabajando en el marco de la teoría cuántica de la polarización en líneas espectrales, hemos desarrollado un código numérico que resuelve el problema de la transferencia de radiación polarizada, en modelos unidimensionales de la atmósfera solar, teniendo en cuenta la acción conjunta de los efectos Hanle y Zeeman, así como fenómenos de redistribución parcial en frecuencias (PRD). La aplicación de esta nueva técnica de diagnóstico nos ha llevado a descubrir un nuevo mecanismo físico que produce una interesante sensibilidad magnética en las alas de los perfiles de polarización lineal de líneas resonantes fuertes, tales como Ca I 422.7 nm y Mg II k.

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