Las ecuaciones que describen el mundo de las partículas elementales generalmente se limitan al reino subatómico porque las matemáticas relevantes a escalas muy pequeñas no son relevantes a escalas más grandes, y viceversa.

Sin embargo, una nueva investigación sugiere que la Ecuación de Schrödinger -la ecuación fundamental de la mecánica cuántica- es notablemente útil para describir la evolución a largo plazo de ciertas estructuras astronómicas. Los resultados se publican en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Los objetos astronómicos masivos a menudo están rodeados por grupos de objetos más pequeños que giran alrededor de ellos, como los planetas alrededor del sol. Por ejemplo, los agujeros negros supermasivos están en órbita alrededor de enjambres de estrellas, que a su vez están orbitados por enormes cantidades de rocas, hielo y otros desechos espaciales.

Discos planos y redondos

Debido a las fuerzas gravitacionales, estos enormes volúmenes de material se convierten en discos planos y redondos. Estos discos, formados por innumerables partículas individuales que orbitan en masa, pueden tener una masa que varía desde el tamaño del sistema solar, hasta un diámetro de muchos años luz (un año luz es la distancia que recorre la luz en el vacío en el lapso de un año).

Los discos astrofísicos generalmente no retienen formas circulares simples a lo largo de sus vidas. En cambio, a lo largo de millones de años, estos discos evolucionan lentamente para exhibir distorsiones a gran escala, doblándose y combándose como ondas en un estanque.

Sin embargo, la ciencia no sabe muy bien cómo estas deformaciones emergen y se propagan. Incluso las simulaciones informáticas no han ofrecido una respuesta definitiva, ya que el proceso es tan complejo como prohibitivamente costoso, para poderlo modelar.

La solución ha venido de un científico conocido, Konstantin Batyguine, considerado por la revista Forbes como uno de los jóvenes menores de 30 años que están cambiando el mundo. Konstantin Batygin propuso en enero de 2016, junto a Michael E. Brown, la existencia de un hipotético noveno planeta en nuestro sistema solar.

Ahora destaca por otra propuesta no menos sugerente: ha recurrido a la así llamada Teoría Perturbacional, propia de la mecánica cuántica, para formular una representación matemática simple de la evolución los discos astrofísicos.

La mecánica cuántica es la rama de la física que rige el comportamiento a veces extraño de las partículas elementales que componen nuestro universo. Las partículas elementales son las que no están constituidas por partículas más pequeñas, ni se conoce que tengan estructura interna. Su mundo es el que describe la mecánica cuántica.

Redacción

El descubrimiento abre una nueva ventana a la comprensión de estos fenómenos que se dan en muchos otros ámbitos, incluyendo generadores de energía o aparatos de diagnóstico médico. Los resultados se publican en Nature Physics.

En 1942, el físico Hannes Alfvén predijo la existencia de un nuevo tipo de ondas debidas al magnetismo actuando sobre un plasma, lo que le llevó a obtener el Premio Nobel de Física en 1970.

Desde su predicción, las ondas de Alfvén han estado asociadas con una variedad de fuentes, incluyendo reactores nucleares, la nube de gas que envuelve a los cometas, experimentos de laboratorio, diagnóstico médico por resonancia magnética y también la atmósfera del Sol.

De forma similar a las olas del mar, las ondas de Alfvén se propagan hacia arriba desde la superficie solar hasta "romper" en las capas más altas, liberando allí enormes cantidades de energía en forma de calor.

Sin embargo, hasta la fecha no se había tenido evidencia directa concluyente de que estas ondas pudiesen convertir su movimiento en calor, algo que intrigaba a los físicos desde la confirmación de su existencia.

Manchas solares

Según el nuevo estudio, en la turbulenta atmósfera solar, con temperaturas que llegan a alcanzar millones de grados, las ondas de Alfvén juegan un papel importante para mantener tan elevadas temperaturas.

Esta investigación detectó el calentamiento producido por ondas de Alfvén en una mancha solar, algo que ya se había predicho teóricamente hace 75 años. Las manchas solares tienen campos intensos similares a las máquinas de resonancia magnética modernas en los hospitales y son mucho más grandes que el tamaño de nuestro propio planeta.

Los investigadores se basaron en observaciones avanzadas de alta resolución del Telescopio Solar Dunn en Nuevo México (USA), junto con observaciones complementarias del Observatorio de Dinámica Solar de la NASA, para analizar los campos magnéticos más fuertes que aparecen en las manchas solares.

Según explica uno de investigadores, Samuel Grant, en un comunicado de la Queen University de Belfast, al dividir la luz del Sol en sus colores integrantes, este equipo internacional de investigadores pudo examinar el comportamiento de ciertos elementos de la tabla periódica dentro de la atmósfera del Sol, incluidos el calcio y el hierro.

Cálculos complejos

"Una vez que se extrajeron estos elementos, se detectaron intensos destellos de luz en las secuencias de imágenes. Estos destellos intensos tienen todas las características de las ondas de Alfvén convirtiendo su energía en ondas de choque, de forma similar a un avión supersónico que crea un estruendo cuando excede la velocidad del sonido. Las ondas de choque se propagan a través del plasma circundante, produciendo calor extremo. Usando superordenadores, pudimos analizar los datos y mostrar por primera vez en la historia que las ondas de Alfvén eran capaces de aumentar las temperaturas del plasma violentamente por encima de su fondo en calma", añade Grant.

En el equipo internacional de esta investigación figuran expertos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna (ULL). La contribución del IAC ha consistido en el análisis de los perfiles espectrales producidos por los átomos de calcio ionizado, cuya huella en la luz observada permite determinar las condiciones físicas existentes en las capas altas de la atmósfera así como seguir su variación con el tiempo.

"Este análisis -explica el investigador del IAC/ULL y coautor del artículo, Héctor Socas-Navarro- se basa en complejos cálculos con superordenadores sobre cómo estos átomos responden a la radiación y dejan su firma en las propiedades de la luz que nos llega, aspectos en los que el grupo del IAC es considerado puntero a nivel internacional."

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Un equipo internacional de científicos ha descubierto que las ondas magnéticas que se propagan por la atmósfera del Sol son claves para calentar su atmósfera y propulsar el viento solar.