Cómo el conteo de manchas solares une el pasado y el futuro de la ciencia
El astrónomo más arrogante de Suiza a mediados del siglo XX fue
Max Waldmeier , especialista en física solar. Después de su retiro en 1980, sus colegas se sintieron tan aliviados que casi le enviaron la iniciativa que dirigió como director del Observatorio de Zúrich. Waldmeier fue responsable de la práctica, arraigada en la época de Galileo, y sigue siendo una de las prácticas científicas más largas de la historia: contar
puntos en el Sol.El Observatorio de Zúrich fue la capital mundial para calcular las manchas solares: áreas frías y oscuras en la superficie del Sol, en las que los campos magnéticos suprimen la circulación del calor interno. Desde el siglo XIX, los astrónomos han asociado las manchas solares con
las erupciones solares que pueden alterar el curso de la vida en la Tierra. Hoy en día, los científicos saben que los puntos marcan áreas que crean campos electromagnéticos colosales que pueden interferir con el trabajo de todo, desde
el sistema de posicionamiento global y las redes eléctricas hasta la composición química de la atmósfera.
Lo que repelió a los seguidores potenciales de Waldmeier fue su hostilidad hacia métodos que eran diferentes de los suyos. En la era espacial, insistió en un método manual para contar puntos usando el
refractor Fraunhofer , llamado así por el inventor del siglo XVIII, y establecido por el primer director del Observatorio de Zurich,
Rudolf Wolf en 1849. Después de que Waldmeier se fue, su asistente, aprovechando la incertidumbre en la cuestión del patrimonio, se llevó e instaló un telescopio Fraunhofer en su jardín. La observación automática y el seguimiento del Sol desde los satélites fue una mejora obvia, así como menos subjetiva que la mirada estrecha de una persona.
Pero, a pesar de toda la hostilidad hacia Valdmeier, su método se ha conservado. Las manchas aparecen cíclicamente. Su número aumenta constantemente durante unos 11 años, seguido de unos 11 años de disminución. Valdmeier se dio cuenta de que la interpretación no podía personalizarse debido a la lentitud inherente del ciclo. "El proceso no puede acelerarse", dice el astrónomo Frederic Klett, director del Centro de Análisis de Datos de Influencia Solar en el Observatorio Real de Bélgica. "Para comprender el sol, es necesario registrar ciclos durante largos períodos de tiempo".
Y la mejor manera de mantener la continuidad de los datos, explica Klett, es utilizar un método de observación que vincule el pasado con el futuro. A diferencia de la mayoría de la ciencia moderna, mantenerse al día con los avances tecnológicos, el cerebro humano y el ojo siguen siendo el dispositivo más estable para detectar cambios de estrellas que nos da toda la vida.
"La tecnología y los equipos modernos son capaces de muchas cosas, pero estas tecnologías existieron solo durante unos pocos ciclos solares seguidos, por lo que no muestran cambios en los ciclos a lo largo de los siglos", dice Klett, el encargado del procedimiento global de conteo de manchas que Wolf comenzó en Zurich, ahora conocido, como el
número internacional de manchas solares o el
número Wolf . Bajo la supervisión de Klett, los defectos aún se cuentan manualmente. "Contando a simple vista, podemos conectar lo que vemos hoy con lo que vimos en el pasado distante".
Esta es una historia increíble, dice Clett. Uno de los métodos científicos más longevos es la observación simple. "Esta es una evolución larga y sistemática de la recopilación de información que condujo a una comprensión del fenómeno de las manchas solares, y una guinda del pastel es una oportunidad para predecir el futuro".
Funciona, no lo toques: el refractor Fraunhofer, llamado así por su inventor del siglo XVIII, fue utilizado por especialistas en física del Sol para calcular puntos durante la mayor parte del siglo XX.Las observaciones puntuales comenzaron antes que la astronomía moderna, al menos durante tres milenios. Como el Sol era el objeto central de varias religiones antiguas, cualquier punto se consideraba un fenómeno significativo. Para los antiguos africanos de las costas del
Zambezi, las manchas solares eran la tierra con la que la luna celosa abofeteaba la cara del sol. Los antiguos chinos consideraban que los lugares eran los bloques de construcción de un palacio volador, o incluso pinceladas que determinaban el carácter del rey.
Virgil adoptó un enfoque más práctico, advirtiendo en sus
georgianos :
Si las manchas comienzan a interferir con el fuego dorado,
Todo, como verás, hervirá simultáneamente con el viento.
Y las nubes
Galileo estudió las manchas más científicamente y las consideró marcas útiles para la calibración en sus estudios sobre el disco solar. A partir de observaciones cuidadosas en el telescopio de los cambios diarios en su apariencia, decidió correctamente que el Sol es esférico y gira alrededor de su eje, transfiriendo defectos cambiantes. Pero desde su punto de vista, los puntos fueron al azar. Esto dejó mucho espacio para la imaginación. El filósofo René Descartes creía que las manchas eran océanos de espuma prehistórica. El astrónomo William Herschel creía que se trataba de pasajes al oscuro mundo del girasol, donde las personas viven bajo el brillante caparazón de la estrella.
Sin embargo, hubo un astrónomo aficionado que simplemente tuvo suficientes observaciones del cielo y registros de todo lo que vio.
Heinrich Schwabe , trabajando como farmacéutico, comenzó a observar el Sol en 1826, y estuvo constantemente ocupado en esto durante más de 300 días al año durante cuarenta años. Inicialmente, buscó planetas no descubiertos dentro de la órbita de Mercurio. Al no encontrar nada definitivo, gradualmente comenzó a observar la superficie manchada del Sol.
Para 1844, habiendo contado decenas de miles de manchas, Schwabe estaba convencido de que las manchas tienen un ciclo: el número de manchas aumentó y disminuyó cada 10 años. No tenía ninguna explicación para esto, pero decidió que otros podrían aprender algo útil de sus observaciones, por lo que publicó una nota de una página en la revista Astronomische Nachrichten. Su trabajo fue leído por Rudolf Wolf, director de 30 años del Observatorio de Berna. Cuando Wolf se convirtió en director del Observatorio de Zurich en 1864, decidió elegir el ciclo de manchas solares como tema de investigación.
Wolf no estaba satisfecho con los cálculos solo con el tiempo. Para establecer la existencia del ciclo y medirlo correctamente, prudentemente decidió recopilar datos pasados, comenzando con Schwabe, e integrarlos en sus propias observaciones diarias.
El problema era que los números no coincidían. El número no coincidió incluso al calcular para un día, llevado a cabo miles de veces desde 1849 hasta 1868, hasta el último cálculo de Schwabe. El telescopio Fraunhofer era significativamente más poderoso que el antiguo instrumento Schwabe, y se vio que muchos de los puntos de Schwabe eran realmente grupos. Para compensar esto, Wolf tomó dos decisiones importantes. El primero es reconsiderar sus propios cálculos; de hecho, la actividad relativa de los puntos fue realmente importante. La segunda solución fue establecer la relación entre el número de puntos contados por él y Schwab cuando sus observaciones tuvieron lugar el mismo día. Obtuvo el coeficiente, lo llamó k, y fue un factor que podría aplicarse a las antiguas observaciones de Schwabe hasta 1849, combinándolas estadísticamente con los nuevos datos de Wolf.
El coeficiente hizo posible algo aún más interesante. Gracias a muchas observaciones simultáneas, Wolf pudo usar los viejos datos de Schwabe para derivar los coeficientes k para otros científicos, y extendió de manera confiable sus datos sobre el número de puntos hasta 1700. Luego Wolf creó una red completa de contadores de puntos en el continente, y sus conteos diarios, que van desde cero hasta un par de cientos, se convirtieron en uno de los conjuntos de datos más confiables en astronomía.
Los datos mostraron que Schwabe tenía razón sobre el ciclo de las manchas solares, pero no sobre su duración. Al principio, Wolf relató este período a los 11 años y decidió que había descubierto su razón: Júpiter necesitó solo 11 años para dar la vuelta al Sol en su órbita. Sin embargo, mientras más ciclos recolectaba, menos confiable parecía esta correlación. Algunos ciclos duraron 14 años. Otros según 9. Como el período orbital de Júpiter no cambió, el científico tuvo que admitir la derrota.
Continuó calculando creyendo que alguien con suficientes datos podría descubrir el mecanismo para la aparición de manchas solares. Creyó hasta su muerte en 1893. En ese momento, su asistente Alfred Wolfer estaba contando puntos con él durante 17 años. Su coeficiente k aseguró una transición suave de las observaciones a otros directores del Observatorio de Zurich, hasta el arrogante Valdmeier, quien desarrolló la clasificación evolutiva de los puntos y el método de predicción de tormentas geomagnéticas, que avanzaron seriamente en la ciencia solar.
La impresionante imagen de la mancha solar indica el lugar donde el magnetismo suprimió el movimiento del calor en el sol, la convección solar. Las manchas solares marcan áreas desde las que brotan destellos colosales, que afectan el GPS de la Tierra y las redes eléctricas.Entonces, ¿por qué los períodos de manchas oscuras se reemplazan por períodos de sol puro? "En verdad, todavía no sabemos exactamente de qué frecuencia depende", admite Klett. Incluso después de 315 años de recopilación de datos, el mecanismo del ciclo de manchas solares aún no se ha iluminado por completo.
Sin embargo, se ha logrado un progreso significativo desde Schwabe, especialmente en el área de los efectos de la llamarada solar. En 1859, dos astrónomos aficionados en la red de observación de Wolf notaron dos destellos brillantes dentro de un grupo de puntos. En los días siguientes, se interrumpió el trabajo del telégrafo y se observó la
aurora boreal en toda Europa. Varios de estos episodios convencieron a los científicos de la conexión de estos fenómenos, cuya explicación se produjo en 1908, cuando el astrónomo
George Ellery Hale usó un espectroscopio para determinar la naturaleza magnética de las manchas solares (el magnetismo afecta un poco el espectro de color). Los defectos oscuros del Sol finalmente podrían entenderse. No eran espuma prehistórica o signos de una población del Sol, sino áreas en las que el magnetismo suprimía el movimiento del calor en el Sol, en un proceso conocido como convección solar.
Hoy, gracias a la física solar, sabemos que los ciclos puntuales están controlados por el movimiento de rotación del plasma dentro del sol giratorio. Dado que el plasma está cargado eléctricamente y las capas de plasma giran a diferentes velocidades, la esfera del Sol se comporta como una dinamo, produciendo campos electromagnéticos miles de veces más fuertes que el magnetismo polar de la Tierra. La circulación del plasma que crea la dinamo solar está modelada en supercomputadoras. Durante siglos, los datos sobre las manchas solares que se han recopilado han ayudado a los científicos a refinar y validar estos modelos ejecutando simulaciones y observando qué modelos están más cerca de la frecuencia variable de ciclos sucesivos. Cuanto más perfectos sean los modelos, mejor entenderemos el ciclo de las manchas solares.
La necesidad de calcular las manchas solares, explica Klett, solo aumentó durante la transición de los telégrafos a los satélites. "El número de puntos ayuda a establecer una tendencia en los próximos meses y años para predecir la frecuencia y la intensidad de las perturbaciones", dice. El Real Observatorio de Bélgica recibe constantemente solicitudes de datos de empresas de telecomunicaciones y energía. Las aerolíneas comerciales también dependen de las tendencias de las manchas solares, ya que el magnetismo solar afecta la velocidad de las ondas de radio en la ionosfera y distorsiona las coordenadas del GPS. Si el clima soleado se acerca a la tormenta, los pilotos cambiarán su atención a otras herramientas de navegación.
Entre la vida de la Tierra y las manchas solares, también se derivan correlaciones menos confirmadas. Los investigadores médicos están tratando de encontrar una conexión entre el magnetismo solar y el cáncer. Los economistas están analizando la relación entre los ciclos solares y la agricultura. Los climatólogos quieren saber si las pequeñas
edades de hielo son causadas por períodos de "altibajos", cuando casi no hay manchas en el Sol, como sucedió en el siglo XVIII. Las pinturas de ese período representan a personas que patinan en el Támesis y Venecia.
El progreso en climatología es particularmente interesante. Se sabe que la radiación del Sol cambia la composición química de las capas superiores de la atmósfera, y las manchas solares modulan la intensidad de varias longitudes de onda, desde infrarrojos hasta rayos X, bombardeando nuestro planeta. Al vincular el número de puntos con los cambios en el espectro solar, los climatólogos pronto podrán determinar la imagen espectral del Sol durante el gran mínimo del siglo XVIII.
Wolf nunca hubiera pensado en una aplicación de datos de este tipo; esta será una lección para otros Wolfs del presente y del futuro: la solución a uno de los problemas más importantes de la ciencia moderna: el cambio climático global, dependerá de los datos recopilados mucho antes de que se conozcan. "Creo que esta es la esencia de la investigación científica, durante la cual se observa un nuevo fenómeno que no se puede entender", dice Klett. - Es como abrir un nuevo territorio. Sabes que obtendrás nuevos conocimientos, incluso si no provienen de las direcciones que esperas ".
Una explicación del ciclo de las manchas solares será la confirmación final del gambito centenario de Wolf. Pero como cuidador en la investigación de las manchas solares, Klett se regocija con otro avance: recientemente contactó a un hombre que había heredado las herramientas de Wolf del traicionero asistente Waldmeier. Las observaciones con el viejo telescopio Fraunhofer nuevamente contribuyen al cálculo internacional de las manchas solares.
Delight Klett no está relacionado con el sentimiento, pero solo nota el papel principal de Wolf en convertir el cálculo de manchas en un procedimiento consistente. "Pude determinar el coeficiente k de este telescopio", dice. - Idealmente coincide con lo que Wolf definió en el siglo XIX, y es cuando considera que hoy no es Wolf quien está involucrado en el cálculo. La coincidencia k es una señal de que el sistema cerebro-ojo no ha cambiado en los últimos siglos ".
Y si los últimos dos siglos son un buen indicador, entonces las observaciones simples serán valiosas durante mucho tiempo. El recuento de manchas solares puede ser un modelo para cualquier investigación que requiera la recopilación de datos a largo plazo, como los cambios evasivos en el comportamiento de una estrella antigua miles de años antes de convertirse en una supernova. En comparación con un estudio de supernova que requiere decenas o cientos de generaciones, contar las manchas solares parece muy rápido.
Tal experimento a largo plazo será un desafío épico. Dependerá de la astucia estadística digna de Wolf y del tradicionalismo terco digno de Waldmayer. Pero para lograr el mayor potencial, se necesita una mentalidad tan tranquila como la de Schwabe, que no tenía que saber qué encontrarían exactamente en sus datos: el mérito también era simplemente observar el fenómeno natural.