Superllamaradas una vez por siglo

Resumen

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Las estrellas parecidas al Sol producen una gigantesca explosión de radiación cada cien años, aproximadamente. Estas superllamaradas liberan más energía que un billón de bombas de hidrógeno y hacen que todas las erupciones solares registradas hasta ahora sean insignificantes, en comparación. Esta estimación se basa en un inventario de 56.450 estrellas similares al Sol, que un equipo internacional de investigadores dirigido por el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS) en Alemania publicó el 12 de diciembre de 2024 en la revista Science. El inventario muestra que los estudios anteriores han subestimado significativamente el potencial eruptivo de estas estrellas. En los datos del telescopio espacial Kepler de la NASA, se pueden encontrar estrellas similares al Sol con superllamaradas con una frecuencia de diez a cien veces mayor de lo que se suponía anteriormente. Es probable que también el Sol sea capaz de erupciones igualmente violentas.

No cabe duda de que el Sol es una estrella temperamental, como lo demuestran las tormentas solares inusualmente fuertes de este año. Algunas de ellas dieron lugar a auroras espectaculares incluso en latitudes bajas, y han desmadrado la tecnología humana, por ejemplo con los sistemas de GPS para el manejo autónomo de maquinaria agrícola. Pero ¿puede nuestra estrella volverse aún más explosiva? Se pueden encontrar pruebas de las “rabietas” solares más violentas en troncos de árboles prehistóricos y en muestras de hielo glaciar de milenios de antigüedad. Sin embargo, a partir de estas fuentes indirectas, no se puede determinar la frecuencia de las súperllamaradas. Y las mediciones directas de la cantidad de radiación que llega a la Tierra desde el Sol sólo están disponibles desde el comienzo de la era espacial.

Textos védicos señalan que el Sol, al que textos religiosos denominaban El Rebelde, se ubicó en el centro, y desde allí comenzó la formación del sistema solar en que vivimos. ¿Los científicos leen textos védicos? ¿Leen textos religiosos?

Otra forma de conocer el comportamiento a largo plazo del Sol es recurrir a otras estrellas, como se pretende en el nuevo estudio, en cuyas ideas centrales nos adentraremos aquí, de la mano de los científicos a cargo de la investigación. Los telescopios espaciales modernos observan miles y miles de estrellas y registran sus fluctuaciones de brillo en luz visible. Las súperllamaradas, que liberan cantidades de energía de más de un octillón de julios en un corto período de tiempo, se muestran en los datos de observación como picos de brillo breves y pronunciados. “No podemos observar el Sol durante miles de años”, explicó el Prof. Dr. Sami Solanki, director del Max Planck Institute for Solar System Research y coautor, sobre la idea básica de la investigación. “Sin embargo, podemos observar el comportamiento de miles de estrellas muy similares al Sol durante cortos períodos de tiempo. Esto nos ayuda a estimar la frecuencia con la que se producen las superllamaradas”, añadió.

En busca de parientes cercanos del Sol en el estudio actual, el equipo, compuesto por investigadores de la Universidad de Graz (Austria), la Universidad de Oulu (Finlandia), el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), la Universidad de Colorado Boulder (EE.UU.) y el Comisariado de Energías Atómicas y Alternativas de París-Saclay y la Universidad de París-Cité, analizó los datos de 56.450 estrellas similares al Sol observadas por el telescopio espacial Kepler de la NASA entre 2009 y 2013. “En su conjunto, los datos de Kepler nos proporcionan pruebas de 220.000 años de actividad estelar”, afirmó el profesor Dr. Alexander Shapiro de la Universidad de Graz.

No cualquier estrella

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Un aspecto decisivo para el estudio fue la cuidadosa selección de las estrellas que se iban a tener en cuenta. Al fin y al cabo, las estrellas elegidas debían ser «parientes» especialmente cercanas del Sol. Por ello, los científicos sólo admitieron estrellas cuya temperatura superficial y brillo fueran similares a los del Sol. Los investigadores también descartaron numerosas fuentes de error, como la radiación cósmica, el paso de asteroides o cometas, así como estrellas no similares al Sol que, en las imágenes de Kepler, pueden estallar por casualidad en las proximidades de una estrella similar al Sol. Para ello, el equipo analizó cuidadosamente las imágenes de cada posible superllamarada (de apenas unos pocos píxeles de tamaño) y sólo contabilizó aquellos eventos que podían atribuirse de forma fiable a una de las estrellas seleccionadas.

2.889 en 2.527 de 56.450

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De esta manera, los investigadores identificaron 2.889 superllamaradas en 2.527 de las 56.450 estrellas observadas. Esto significa que, en promedio, una estrella similar al Sol produce una superllamarada aproximadamente una vez por siglo.

“Los cálculos de alto rendimiento de las dinamos de estas estrellas de tipo solar explican fácilmente los orígenes magnéticos de la intensa liberación de energía durante estas superllamaradas”, dijo el coautor Dr. Allan Sacha Brun del Comisariado de Energías Atómicas y Alternativas de París-Saclay y la Universidad de París-Cité.

Sorprendentemente frecuentes

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“Nos sorprendió mucho que las estrellas similares al Sol sean propensas a superllamaradas tan frecuentes”, dijo el primer autor, Dr. Valeriy Vasilyev del MPS. Estudios anteriores realizados por otros grupos de investigación habían encontrado intervalos promedio de mil o incluso diez mil años. Sin embargo, los estudios anteriores no pudieron determinar la fuente exacta de la llamarada observada y, por lo tanto, tuvieron que limitarse a estrellas que no tenían vecinos demasiado cercanos en las imágenes de telescopio. El estudio actual es el más preciso y sensible hasta la fecha.

Estudios que buscan evidencia de tormentas solares violentas que impactan la Tierra también han sugerido intervalos de tiempo promedio más largos entre eventos solares extremos. Cuando un flujo particularmente alto de partículas energéticas del Sol alcanza la atmósfera de la Tierra, producen una cantidad detectable de átomos radiactivos como el isótopo de carbono radiactivo 14C. Estos átomos luego se depositan en archivos naturales como anillos de árboles y hielo glacial. Incluso miles de años después, la afluencia repentina de partículas solares de alta energía puede deducirse midiendo la cantidad de 14C utilizando tecnologías modernas.

De esta manera, los investigadores pudieron identificar cinco eventos extremos de partículas solares y tres candidatos dentro de los últimos doce mil años del Holoceno, lo que lleva a una tasa de ocurrencia promedio de una vez cada 1500 años. Se cree que el más violento ocurrió en el año 775 d.C. Sin embargo, es muy posible que en el pasado se hayan producido más eventos de partículas violentas de este tipo y también más superllamaradas en el Sol. “No está claro si las llamaradas gigantescas siempre van acompañadas de eyecciones de masa coronal y cuál es la relación entre las superllamaradas y los eventos extremos de partículas solares. Esto requiere más investigación", señaló el coautor, Prof. Dr. Ilya Usoskin de la Universidad de Oulu en Finlandia. Por lo tanto, observar la evidencia terrestre de eventos solares extremos pasados ​​podría subestimar la frecuencia de las superllamaradas.

Pronosticando condiciones meteorológicas espaciales peligrosas

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El nuevo estudio no revela cuándo volverá a producirse una superllamarada solar, pero los resultados instan a la cautela. “Los nuevos datos son un duro recordatorio de que incluso los fenómenos solares más extremos forman parte del repertorio natural del Sol”, afirmó la coautora, Dra. Natalie Krivova, del MPS. Durante el evento Carrington de 1859, una de las tormentas solares más violentas de los últimos 200 años, la red telegráfica colapsó en gran parte del norte de Europa y Norteamérica. Según las estimaciones, la llamarada asociada liberó sólo una centésima parte de la energía de una superllamarada. Hoy en día, además de la infraestructura en la superficie de la Tierra, estarían en peligro especialmente los satélites.

Por lo tanto, la preparación más importante para las fuertes tormentas solares es la previsión fiable y oportuna. Como medida de precaución, por ejemplo, se podrían desconectar los satélites. A partir de 2031, la sonda espacial Vigil de la ESA contribuirá a la tarea de realizar previsiones. Desde su posición de observación en el espacio, observará el Sol de lado y detectará antes que las sondas terrestres cuándo se estarán gestando procesos que podrían generar un clima espacial peligroso en nuestra estrella. El MPS está desarrollando para esta misión el Generador de Imágenes Polarimétrico y Magnético.

• El paper Sun-like stars produce superflares roughly one per century fue publicado el 132 de diciembre en Science. Sus autores son: Valeriy Vasilyev, Timo Reinhold, Alexander I. Shapiro, Ilya Usoskin, Natalie A. Krivova, Hiroyuki Maehara, Yuta Notsu, Allan Sacha Brun, Sami K. Solanki & Laurent Gizon. Science 12 Dec 2024 Vol 386, Issue 6727 pp. 1301-1305 DOI: 10.1126/science.adl5441

• El artículo Superflares once per Century, fue publicado en el sitio del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar

• Por favor, lean el artículo en Spaceweather, que tiene como líder al doctor Tony Phillips, ex oficial de la oficina de Ciencia de la NASA. La primera línea señala: Ahora tenemos que preocuparnos por las superllamaradas.

English version

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Superflares once per Century

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Abstract

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Stars similar to the Sun produce a gigantic outburst of radiation on average about once every hundred years per star. Such superflares release more energy than a trillion hydrogen bombs and make all previously recorded solar flares pale in comparison. This estimate is based on an inventory of 56450 sun-like stars, which an international team of researchers led by the Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) in Germany presented on Friday, December 12th, 2024, in the journal Science. It shows that previous studies have significantly underestimated the eruptive potential of these stars. In data from NASA’s space telescope Kepler, superflaring, sun-like stars can be found ten to a hundred times more frequently than previously assumed. The Sun, too, is likely capable of similarly violent eruptions.

Our temperamental star

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There is no question that the Sun is a temperamental star, as alone this year’s unusually strong solar storms prove. Some of them led to remarkable auroras even at low latitudes. But can our star become even more furious? Evidence of the most violent solar “tantrums” can be found in prehistoric tree trunks and in samples of millennia-old glacial ice. However, from these indirect sources, the frequency of superflares cannot be determined. And direct measurements of the amount of radiation reaching the Earth from the Sun have only been available since the beginning of the space age.

Vedic texts indicate that the Sun, which religious texts called The Rebel, was located in the center, and from there the formation of the solar system in which we live began. Do scientists read Vedic texts? Do they read religious texts?

Another way to learn about our Sun’s long-term behavior is to turn to the stars, as is the approach of the new study. Modern space telescopes observe thousands and thousands of stars and record their brightness fluctuations in visible light. Superflares, which release amounts of energy of more than one octillion joules within a short period of time, show themselves in the observational data as short, pronounced peaks in brightness. “We cannot observe the Sun over thousands of years,” said Prof. Dr. Sami Solanki, Director at the MPS and coauthor, who explained the basic idea behind the investigation. “Instead, however, we can monitor the behavior of thousands of stars very similar to the Sun over short periods of time. This helps us to estimate how frequently superflares occur,” he adds.

Looking for close relatives of the Sun

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In the current study, the team including researchers from the University of Graz (Austria), the University of Oulu (Finland), the National Astronomical Observatory of Japan, the University of Colorado Boulder (USA) and the Commissariat of Atomic and Alternative Energies of Paris-Saclay and the University of Paris-Cité, analyzed the data from 56450 sun-like stars as seen by NASA’s space telescope **Kepler** between 2009 and 2013. “In their entirety, the Kepler data provide us with evidence of 220000 years of stellar activity,” said Prof. Dr. Alexander Shapiro from the University of Graz.

Crucial for the study was the careful selection of the stars to be taken into account. After all, the chosen stars should be particularly close “relatives” of the Sun. The scientists therefore only admitted stars whose surface temperature and brightness were similar to the Sun’s. The researchers also ruled out numerous sources of error, such as cosmic radiation, passing asteroids or comets, as well as non-sun-like stars that in Kepler images may by chance flare up in the vicinity of a sun-like star. To do this, the team carefully analyzed the images of each potential superflare - only a few pixels in size - and only counted those events that could reliably be assigned to one of the selected stars.

2889 on 2527 from 56450

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In this way, the researchers identified 2889 superflares on 2527 of the 56450 observed stars. This means that on average, one sun-like star produces a superflare approximately once per century.

“High performance dynamo computations of these solar-type stars easily explain the magnetic origins of the intense release of energy during such superflares”, said coauthor Dr. Allan Sacha Brun of the Commissariat of Atomic and Alternative Energies of Paris-Saclay and the University of Paris-Cité.

Surprisingly frequent

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“We were very surprised that sun-like stars are prone to such frequent superflares”, said first author Dr. Valeriy Vasilyev from the MPS. Earlier surveys by other research groups had found average intervals of a thousand or even ten thousand years. However, earlier studies were unable to determine the exact source of the observed flare and therefore had to limit themselves to stars that did not have any too close neighbors in the telescope images. The current study is the most precise and sensitive to date.

Longer average time intervals between extreme solar events have also been suggested by studies looking for evidence of violent solar storms impacting Earth. When a particularly high flux of energetic particles from the Sun reaches the Earth’s atmosphere, they produce a detectable amount of radioactive atoms such as the radioactive carbon isotope 14C. These atoms are then deposited in natural archives such as tree rings and glacial ice. Even thousands of years later, the sudden influx of high-energy solar particles can thus be deduced by measuring the amount of 14C using modern technologies.

In this way, researchers were able to identify five extreme solar particle events and three candidates within the past twelve thousand years of the Holocene, leading to an average occurrence rate of once per 1500 years. The most violent is believed to have occurred in the year 775 AD. However, it is quite possible that more such violent particle events and also more superflares occurred on the Sun in the past. “It is unclear whether gigantic flares are always accompanied by coronal mass ejections and what is the relationship between superflares and extreme solar particle events. This requires further investigation”, co-author Prof. Dr. Ilya Usoskin from the University of Oulu in Finland pointed out. Looking at the terrestrial evidence of past extreme solar events could therefore underestimate the frequency of superflares.

Forecasting dangerous space weather

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The new study does not reveal when the Sun will throw its next fit. However, the results urge caution. “The new data are a stark reminder that even the most extreme solar events are part of the Sun’s natural repertoire,” said coauthor Dr. Natalie Krivova from the MPS. During the Carrington event of 1859, one of the most violent solar storms of the past 200 years, the telegraph network collapsed in large parts of northern Europe and North America. According to estimates, the associated flare released only a hundredth of the energy of a superflare. Today, in addition to the infrastructure on the Earth’s surface, especially satellites would be at risk.

The most important preparation for strong solar storms is therefore reliable and timely forecasting. As a precaution, satellites, for example, could be switched off. From 2031, ESA’s space probe Vigil will help in the endeavor of forecasting. From its observation position in space, it will look at the Sun from the side and notice sooner than Earth-bound probes when processes that might drive dangerous space weather are brewing up on our star. The MPS is currently developing the Polarimetric and Magnetic Imager for this mission.

• The paper Sun-like stars produce superflares roughly one per century was published on Science on December 12th. Their authors are: Valeriy Vasilyev, Timo Reinhold, Alexander I. Shapiro, Ilya Usoskin, Natalie A. Krivova, Hiroyuki Maehara, Yuta Notsu, Allan Sacha Brun, Sami K. Solanki & Laurent Gizon. Science 12 Dec 2024 Vol 386, Issue 6727 pp. 1301-1305 DOI: 10.1126/science.adl5441

• Please read the article at SpaceWeather, which is led by Dr. Tony Phillips, a former NASA Office of Science Officer. “Now we have to worry about superflares.”, said the first line.