Superflare

Este artículo trata sobre el fenómeno extrasolar en estrellas de tipo solar. Para otros usos, consulte Super flare (desambiguación) .

Fuerte explosión observada en estrellas

Las superbrillantes son explosiones muy fuertes que se observan en estrellas con energías hasta diez mil veces superiores a las típicas erupciones solares . Las estrellas de esta clase satisfacen condiciones que deberían convertirlas en análogos solares, y se esperaría que fueran estables en escalas de tiempo muy largas. Los nueve candidatos originales fueron detectados mediante una variedad de métodos. Ningún estudio sistemático fue posible hasta el lanzamiento del satélite Kepler., que monitoreó una gran cantidad de estrellas de tipo solar con una precisión muy alta durante un período prolongado. Esto mostró que una pequeña proporción de estrellas tenía estallidos violentos, hasta 10.000 veces más poderosos que las llamaradas más fuertes conocidas en el Sol. En muchos casos, hubo múltiples eventos en la misma estrella. Las estrellas más jóvenes tenían más probabilidades de destellar que las viejas, pero se observaron eventos fuertes en estrellas tan antiguas como el Sol.

Las llamaradas se explicaron inicialmente postulando planetas gigantes en órbitas muy cercanas, de modo que los campos magnéticos de la estrella y el planeta estaban vinculados. La órbita del planeta deformaría las líneas del campo hasta que la inestabilidad liberara la energía del campo magnético como una llamarada. Sin embargo, ningún planeta así ha aparecido como un tránsito de Kepler y esta teoría ha sido abandonada.

Todas las estrellas superbrillantes muestran variaciones de brillo cuasi-periódicas interpretadas como manchas estelares muy grandes transportadas por rotación. Los estudios espectroscópicos encontraron líneas espectrales que eran claros indicadores de la actividad cromosférica asociada con campos magnéticos intensos y extensos. Esto sugiere que las super llamaradas solo difieren en escala de las erupciones solares.

Se han hecho intentos para detectar super llamaradas solares pasadas a partir de concentraciones de nitrato en el hielo polar , de observaciones históricas de auroras y de los isótopos radiactivos que pueden producir las partículas energéticas solares . Aunque se han encontrado tres eventos y algunos candidatos en los registros de carbono-14 en los anillos de los árboles, no es posible asociarlos definitivamente con eventos de superflare.

Las super llamaradas solares tendrían efectos drásticos, especialmente si ocurrieran como eventos múltiples. Dado que pueden ocurrir en estrellas de la misma edad, masa y composición que el Sol, esto no se puede descartar, pero no se han encontrado indicios de super llamaradas solares durante los últimos diez milenios. Sin embargo, las estrellas superbrillantes de tipo solar son muy raras y magnéticamente mucho más activas que el Sol; si ocurren super llamaradas solares, puede ser en episodios bien definidos que ocupan una pequeña fracción de su tiempo.

Estrellas superflare

Una estrella superflare no es lo mismo que una estrella flare , que generalmente se refiere a una enana roja de tipo espectral muy tardío . El término está restringido a grandes eventos transitorios en estrellas que satisfacen las siguientes condiciones: ^[1]

• La estrella está en la clase espectral F8 a G8
• Está en o cerca de la secuencia principal.
• Es único o parte de un binario muy amplio.
• No es un rotador rápido
• No es muy joven

Esencialmente, estas estrellas pueden considerarse análogas solares. Originalmente se encontraron nueve estrellas superbrillantes, algunas de ellas similares al Sol .

Candidatos originales de superflare

El artículo original ^[1] identificó nueve objetos candidatos a partir de una búsqueda bibliográfica:

Estrella	Escribe	V (mag)	Detector	Amplitud de llamarada	Duración	Energía (ergio)
Groombridge 1830	G8 V	6,45	Fotografía	ΔB = 0.62 mag	18 min	E B ~ 10 35
Kappa1 Ceti	G5 V	4.83	Espectroscopia	EW (He) = 0.13Å	~ 40 min	E ~ 2 × 10 34
MT Tauri	G5 V	16,8	Fotografía	ΔU = 0,7 mag	~ 10 min	E U ~ 10 35
Pi1 Ursae Majoris	G1.5 Vb	5,64	radiografía	L X = 10 29 erg / s	> ~ 35 min	E X = 2 × 10 33
S Fornacis	G1 V	8,64	Visual	ΔV ~ 3 mag	17 - 367 min	E V ~ 2 × 10 38
BD + 10 ° 2783	G0 V	10.0	radiografía	L X = 2 × 10 31 ergio / s	~ 49 min	E X >> 3 × 10 34
Omicron Aquilae	F8 V	5.11	Fotometría	ΔV = 0.09 mag	~ 5-15 días	E BV ~ 9 × 10 37
5 Serpentis	F8 IV-V	5,06	Fotometría	ΔV = 0.09 mag	~ 3 - 25 días	E BV ~ 7 × 10 37
UU Coronae Borealis	F8 V	8,86	Fotometría	ΔI = 0.30 mag	> ~ 57 min	Opción E ~ 7 × 10 35

El tipo proporciona la clasificación espectral, incluido el tipo espectral y la clase de luminosidad.

V (mag) significa la magnitud visual aparente normal de la estrella.

EW (He) es el ancho equivalente de la línea 5875.6Å He I D3 vista en emisión.

Las observaciones varían para cada objeto. Algunas son mediciones de rayos X, otras son visuales, fotográficas, espectroscópicas o fotométricas. Las energías para los eventos varían de 2 × 10 ³³ a 2 × 10 ³⁸ ergios.

Descubrimientos de Kepler

La nave espacial Kepler es un observatorio espacial diseñado para encontrar planetas mediante el método de tránsitos . Un fotómetro monitorea continuamente el brillo de 150.000 estrellas en un área fija del cielo (en las constelaciones de Cygnus, Lyra y Draco) para detectar cambios en el brillo causados ​​por planetas que pasan frente al disco estelar. Más de 90.000 son estrellas de tipo G (similares al Sol) en la secuencia principal o cerca de ella. El área observada corresponde a aproximadamente el 0,25% de todo el cielo. El fotómetro es sensible a longitudes de onda de 400 a 865 nm: todo el espectro visible y parte del infrarrojo. La precisión fotométrica lograda por Kepler es típicamente 0.01% (0.1 mmag) para tiempos de integración de 30 minutos de estrellas de 12a magnitud.

Estrellas tipo G

La alta precisión, la gran cantidad de estrellas observadas y el largo período de observación hacen que Kepler sea ideal para detectar superbrillantes. Los estudios publicados en 2012 y 2013 involucraron a 83,000 estrellas durante un período de 500 días (gran parte del análisis de datos se llevó a cabo con la ayuda de cinco estudiantes de primer año). ^{[2] [3] [4]} Las estrellas fueron seleccionadas del Catálogo de entrada de Kepler para tener T _eff, la temperatura efectiva, entre 5100 y 6000K (el valor solar es 5750K) para encontrar estrellas de clase espectral similar al Sol, y la gravedad superficial log g> 4.0 para eliminar subgigantes y gigantes. Las clases espectrales van de F8 a G8. El tiempo de integración fue de 30 min en el estudio original. Se encontraron 1547 super llamaradas en 279 estrellas de tipo solar. Los eventos más intensos aumentaron el brillo de las estrellas en un 30% y tuvieron una energía de 10 ³⁶ ergios. Los destellos de luz blanca en el Sol cambian el brillo en aproximadamente un 0.01%, y los destellos más fuertes tienen una energía de luz visible de aproximadamente 10 ³² ergios. (Todas las energías citadas están en el paso de banda óptico y, por lo tanto, son límites inferiores, ya que se emite algo de energía en otras longitudes de onda). La mayoría de los eventos fueron mucho menos energéticos que esto: amplitudes de destellos por debajo del 0,1% del valor estelar y energías de 2 × 10 ³³ ergios fueron detectables con la integración de 30 minutos. Las erupciones tuvieron un aumento rápido seguido de una disminución exponencial en una escala de tiempo de 1 a 3 horas. Los eventos más poderosos correspondieron a energías diez mil mayores que las erupciones más grandes observadas en el Sol. Algunas estrellas brillaron con mucha frecuencia: una estrella mostró 57 eventos en 500 días, una tasa de uno cada nueve días. Para las estadísticas de llamaradas, el número de llamaradas disminuyó con la energía E aproximadamente como E ⁻², un comportamiento similar a las erupciones solares. La duración de la llamarada aumentó con su energía, de nuevo de acuerdo con el comportamiento solar.

Algunos datos de Kepler se toman en un muestreo de un minuto, aunque inevitablemente con menor precisión. ^{[5] El} uso de estos datos, en una muestra más pequeña de estrellas, revela destellos que son demasiado breves para una detección confiable con integraciones de 30 minutos, lo que permite la detección de eventos tan bajos como 10 ³² ergios, comparables con los destellos más brillantes del Sol. La frecuencia de ocurrencia en función de la energía sigue siendo una ley de potencia E ⁻ⁿ cuando se extiende a energías más bajas, con n alrededor de 1,5. En este momento de resolución, algunas superbrillantes muestran múltiples picos con separaciones de 100 a 1000 segundos, de nuevo comparables a las pulsaciones de las erupciones solares. La estrella KIC 9655129 mostró dos períodos, de 78 y 32 minutos, lo que sugiere oscilaciones magnetohidrodinámicas en la región de la llamarada.^[6] Estas observaciones sugieren que las super llamaradas son diferentes sólo en escala y no en tipo a las erupciones solares.

Las estrellas Superflare muestran una variación de brillo casi periódica, que se interpreta como evidencia de manchas estelares transportadas por la rotación solar. Esto permite una estimación del período de rotación de la estrella; los valores van desde menos de un día hasta decenas de días (el valor del Sol es de 25 días). En el Sol, la monitorización con radiómetros desde satélites muestra que las manchas solares grandes pueden reducir el brillo hasta en un 0,2%. En las estrellas superbrillantes, las variaciones de brillo más comunes son del 1-2%, aunque pueden llegar al 7-8%, lo que sugiere que el área de las manchas estelares puede ser mucho más grande que cualquier cosa que se encuentre en el Sol. En algunos casos, las variaciones de brillo pueden ser modeladas por solo una o dos grandes manchas estelares, aunque no todos los casos son tan simples. Las manchas estelares pueden ser grupos de manchas más pequeñas o manchas gigantes individuales.

Los destellos son más comunes en estrellas con períodos cortos. Sin embargo, la energía de las llamaradas más grandes no está relacionada con el período de rotación. Las estrellas con variaciones más grandes también tienen destellos mucho más frecuentes; también hay una tendencia a que tengan brotes más enérgicos. Se pueden encontrar grandes variaciones incluso en las estrellas que giran más lentamente: una estrella tenía un período de rotación de 22,7 días y variaciones que implican una cobertura de manchas del 2,5% de la superficie, más de diez veces mayor que el valor solar máximo. Estimando el tamaño de las manchas estelares a partir de la variación de amplitud y asumiendo valores solares para los campos magnéticos en las manchas (1000 G), es posible estimar la energía disponible: en todos los casos hay suficiente energía en el campo para alimentar incluso las llamaradas más grandes observadas.Esto sugiere que las super llamaradas y las erupciones solares tienen esencialmente el mismo mecanismo.

Para determinar si pueden ocurrir superbrillantes en el Sol, es importante reducir la definición de estrellas similares al Sol. Cuando el rango de temperatura se divide en estrellas con T _eff por encima y por debajo de 5600K (estrellas de tipo G tempranas y tardías), las estrellas de temperatura más baja tienen aproximadamente el doble de probabilidades de mostrar actividad de superllamadas que las que están en el rango solar y las que lo hacen tienen más llamaradas: la frecuencia de aparición de llamaradas (número por estrella por año) es aproximadamente cinco veces mayor en las estrellas de tipo tardío. Es bien sabido que tanto la velocidad de rotación como la actividad magnética de una estrella disminuyen con la edad en las estrellas de tipo G. Cuando las estrellas en erupción se dividen en rotadores rápidos y lentos, utilizando el período de rotación estimado a partir de las variaciones de brillo, existe una tendencia general a que las estrellas de rotación más rápida (y presumiblemente las más jóvenes) muestren una mayor probabilidad de actividad: en particular, las estrellas que giran en menos de 10 días tienen entre 20 y 30 veces más probabilidades de tener actividad. A pesar de eso,Se encontraron 44 superbrillantes en 19 estrellas con temperaturas similares a las del Sol y períodos superiores a 10 días (de las 14.000 estrellas examinadas); cuatro super llamaradas con energías en el rango de 1-5 × 10Se detectaron ³³ ergios en estrellas que giraban más lentamente que el Sol (de aproximadamente 5000 en la muestra). La distribución de las llamaradas con energía tiene la misma forma para todas las clases de estrellas: aunque las estrellas similares al Sol tienen menos probabilidades de estallar, tienen la misma proporción de llamaradas muy energéticas que las estrellas más jóvenes y frías.

Estrellas tipo K y M

Datos de Kepler también se han utilizado para buscar bengalas en las estrellas de los tipos más tarde espectrales que G. Una muestra de 23.253 estrellas con temperatura efectiva T _eff menos de 5150K y registro de gravedad de la superficie g> 4,2, que corresponde a la secuencia principal estrellas más tarde de K0V, fue examinado en busca de llamaradas durante un período de tiempo de 33,5 días. ^[7]Se identificaron 373 estrellas con destellos obvios. Algunas estrellas tenían solo un destello, mientras que otras mostraban hasta quince. Los eventos más fuertes aumentaron el brillo de la estrella en un 7-8%. Esto no es radicalmente diferente del brillo máximo de las llamaradas en las estrellas de tipo G; sin embargo, dado que las estrellas K y M son menos luminosas que las de tipo G, esto sugiere que las llamaradas en estas estrellas son menos energéticas. Comparando las dos clases de estrellas estudiadas, parece que las estrellas M brillan con más frecuencia que las estrellas K, pero la duración de cada destello tiende a ser más corta. No es posible sacar ninguna conclusión sobre la proporción relativa de estrellas de tipo G y K que muestran super llamaradas, o sobre la frecuencia de llamaradas en aquellas estrellas que sí muestran tal actividad, ya que los algoritmos y criterios de detección de llamaradas en los dos estudios son bastante diferentes. .

La mayoría (aunque no todas) de las estrellas K y M muestran las mismas variaciones de brillo cuasi-periódicas que las estrellas G. Hay una tendencia a que se produzcan llamaradas más energéticas en estrellas más variables; sin embargo, la frecuencia de los brotes solo está débilmente relacionada con la variabilidad.

Hot Jupiters como explicación

Cuando se descubrieron originalmente las superbrillantes en estrellas de tipo solar, se sugirió ^[8] que estas erupciones pueden ser producidas por la interacción del campo magnético de la estrella con el campo magnético de un planeta gigante gaseoso que orbita tan cerca del primario que los campos magnéticos estaban vinculados. La rotación o el movimiento orbital daría cuerda a los campos magnéticos hasta que una reconfiguración de los campos causaría una liberación explosiva de energía. Las variables de RS Canum Venaticorumson binarias cercanas, con períodos orbitales entre 1 y 14 días, en los que la primaria es una estrella de secuencia principal de tipo F o G, y con una fuerte actividad cromosférica en todas las fases orbitales. Estos sistemas tienen variaciones de brillo atribuidas a grandes manchas estelares en el primario; algunos muestran grandes llamaradas que se cree que son causadas por reconexión magnética. El compañero está lo suficientemente cerca como para hacer girar la estrella mediante interacciones de marea.

Sin embargo, un gigante gaseoso no sería lo suficientemente masivo para hacer esto, dejando las diversas propiedades medibles de la estrella (velocidad de rotación, actividad cromosférica) sin cambios. Si el gigante y el primario estuvieran lo suficientemente cerca como para que los campos magnéticos estuvieran vinculados, la órbita del planeta envolvería las líneas del campo hasta que la configuración se volviera inestable seguida de una violenta liberación de energía en forma de llamarada. Kepler descubrió una serie de gigantes gaseosos en órbita cercana, conocidos como Júpiter calientes ; los estudios de dos de tales sistemas mostraron variaciones periódicas de la actividad cromosférica del primario sincronizado con el período del compañero.

Kepler no puede detectar todos los tránsitos planetarios, ya que la órbita planetaria puede estar fuera de la línea de visión de la Tierra. Sin embargo, los Júpiter calientes orbitan tan cerca del primario que la probabilidad de un tránsito es de aproximadamente el 10%. Si las superbrillantes fueran causadas por planetas cercanos, las 279 estrellas llamativas descubiertas deberían tener alrededor de 28 compañeras en tránsito; ninguno de ellos mostró evidencia de tránsitos, excluyendo efectivamente esta explicación.

Observaciones espectroscópicas de estrellas superflare

Los estudios espectroscópicos de las super llamaradas permiten determinar con más detalle sus propiedades, con la esperanza de detectar la causa de las llamaradas. Los primeros estudios se realizaron utilizando el espectrógrafo de alta dispersión del telescopio Subaru en Hawai. ^{[9] [10]} Se han examinado en detalle unas 50 estrellas aparentemente de tipo solar, conocidas por las observaciones de Kepler por mostrar actividad de super llamaradas. De estos, solo 16 mostraron evidencia de ser binarios visuales o espectroscópicos; estos fueron excluidos ya que los binarios cercanos están frecuentemente activos, mientras que en el caso de los binarios visuales existe la posibilidad de que se produzca actividad en el compañero. La espectroscopía permite determinaciones precisas de la temperatura efectiva, la gravedad de la superficie y la abundancia de elementos más allá del helio ('metalicidad '); la mayoría de las 34 estrellas individuales demostraron ser estrellas de secuencia principal de tipo espectral G y composición similar a la del Sol. Dado que las propiedades como la temperatura y la gravedad superficial cambian durante la vida de una estrella, la teoría de la evolución estelar permite una estimación de la edad de una estrella: en la mayoría de los casos, la edad parecía estar por encima de varios cientos de millones de años. Esto es importante ya que se sabe que las estrellas muy jóvenes son mucho más activas. Nueve de las estrellas se ajustaron a la definición más estrecha de tipo solar dada anteriormente, con temperaturas superiores a 5600 K y períodos de rotación superiores a 10 días; algunos tenían periodos superiores a 20 o incluso 30 días. Solo cinco de los 34 podrían describirse como rotadores rápidos.

Las observaciones de LAMOST se han utilizado para medir la actividad cromosférica de 5.648 estrellas de tipo solar en el campo Kepler, incluidas 48 estrellas superflare. ^[11] Estas observaciones muestran que las estrellas superflare generalmente se caracterizan por emisiones cromosféricas más grandes que otras estrellas, incluido el Sol. Sin embargo, existen estrellas superbrillantes con niveles de actividad inferiores o comparables a los del Sol, lo que sugiere que las llamaradas solares y las superbrillantes probablemente comparten el mismo origen. El gran conjunto de estrellas de tipo solar incluido en este estudio permite estimaciones detalladas y sólidas de la relación entre la actividad cromosférica y la aparición de super llamaradas.

Todas las estrellas mostraron variaciones de brillo cuasi-periódicas, que iban desde el 0,1% hasta casi el 10%, interpretadas como la rotación de grandes manchas estelares. ^[12] Cuando existen grandes manchas en una estrella, el nivel de actividad de la cromosfera se vuelve alto; en particular, grandes placas cromosféricasse forman alrededor de grupos de manchas solares. Se sabe que las intensidades de ciertas líneas solares y estelares generadas en la cromosfera, particularmente las líneas de calcio ionizado (Ca II) y la línea Hα de hidrógeno, son indicadores de actividad magnética. Las observaciones de las líneas de Ca en estrellas de edad similar al Sol incluso muestran variaciones cíclicas que recuerdan el ciclo solar de 11 años. Al observar ciertas líneas infrarrojas de Ca II para las 34 estrellas superbrillantes, fue posible estimar su actividad cromosférica. Las mediciones de las mismas líneas en puntos dentro de una región activa del Sol, junto con las mediciones simultáneas del campo magnético local, muestran que existe una relación general entre el campo y la actividad.

Aunque las estrellas muestran una clara correlación entre la velocidad de rotación y la actividad, esto no excluye la actividad en las estrellas que giran lentamente: incluso las estrellas tan lentas como el Sol pueden tener una alta actividad. Todas las estrellas superbrillantes observadas tenían más actividad que el Sol, lo que implica campos magnéticos más grandes. También existe una correlación entre la actividad de una estrella y sus variaciones de brillo (y por lo tanto la cobertura de la mancha estelar): todas las estrellas con grandes variaciones de amplitud mostraron una alta actividad.

Conocer el área aproximada que cubren las manchas estelares a partir del tamaño de las variaciones y la intensidad del campo estimada a partir de la actividad cromosférica permite estimar la energía total almacenada en el campo magnético; en todos los casos, había suficiente energía almacenada en el campo para dar cuenta incluso de las super llamaradas más grandes. Tanto las observaciones fotométricas como las espectroscópicas son consistentes con la teoría de que las superbrillantes son diferentes solo en escala de las erupciones solares, y pueden explicarse por la liberación de energía magnética en regiones activas mucho más grandes que las del Sol. Sin embargo, estas regiones pueden aparecer en estrellas con masas, temperaturas, composiciones, velocidades de rotación y edades similares al Sol.

Ver también Cromosfera # en otras estrellas

Detectando superbrillantes pasadas en el Sol

Dado que las estrellas aparentemente similares al Sol pueden producir superbrillantes, es natural preguntarse si el Sol mismo puede hacerlo y tratar de encontrar pruebas de que lo haya hecho en el pasado. Las grandes llamaradas están invariablemente acompañadas de partículas energéticas, y estas partículas producen efectos si llegan a la tierra. El evento Carrington de 1859, el destello más grande del cual tenemos observación directa, produjo exhibiciones de auroras globales que se extendieron cerca del ecuador. ^{[13] Las} partículas energéticas pueden producir cambios químicos en la atmósfera, que pueden quedar registrados de forma permanente en el hielo polar. Los protones rápidos generan isótopos distintivos, particularmente carbono-14, que pueden ser absorbidos y preservados por criaturas vivientes.

Concentraciones de nitrato en hielo polar

Cuando las partículas de energía solar llegan a la atmósfera de la Tierra, provocan una ionización que crea óxido nítrico (NO) y otras especies de nitrógeno reactivo, que luego precipitan en forma de nitratos. Dado que todas las partículas cargadas de energía son desviadas en mayor o menor medida por el campo geomagnético, entran preferentemente en las latitudes polares; Dado que las latitudes altas también contienen hielo permanente, es natural buscar la firma de nitrato de los eventos de partículas en los núcleos de hielo.. Un estudio de un núcleo de hielo de Groenlandia que se remonta a 1561 d.C. logró resoluciones de 10 o 20 muestras al año, lo que permitió en principio la detección de eventos únicos. Se pueden lograr fechas precisas (dentro de uno o dos años) contando capas anuales en los núcleos, verificadas mediante la identificación de depósitos asociados con erupciones volcánicas conocidas. El núcleo contenía una variación anual de la concentración de nitrato, acompañada de una serie de "picos" de diferentes amplitudes. El más fuerte de estos en todo el registro data de unas pocas semanas después del evento Carrington de 1859. Sin embargo, otros eventos pueden producir picos de nitrato, incluida la quema de biomasa, que también produce concentraciones mejoradas de amonio. Un examen de catorce núcleos de hielo de las regiones antártica y ártica mostró grandes picos de nitrato: sin embargo,ninguno de ellos estaba fechado en 1859, excepto el ya mencionado, y ese parece ser demasiado pronto después del evento de Carrington y demasiado corto para ser explicado por él. Todos estos picos se asociaron con amonio y otros indicadores químicos de combustión. La conclusión es que las concentraciones de nitratos no pueden utilizarse como indicadores de la actividad solar histórica.^[14]

Eventos únicos de isótopos cosmogénicos

Cuando los protones energéticos entran en la atmósfera, crean isótopos por reacciones con los componentes principales; el más importante de ellos es el carbono-14 ( ¹⁴ C), que se crea cuando los neutrones secundarios reaccionan con el nitrógeno. ^{El 14} C, que tiene una vida media de 5.730 años, reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono que es absorbido por las plantas; La datación de la madera por su contenido de ¹⁴ C fue la base original de la datación por radiocarbono . Si se dispone de madera de edad conocida, el proceso se puede invertir. La medición del contenido de ¹⁴ C y el uso de la vida media permite estimar el contenido cuando se formó la madera. Los anillos de crecimiento de los árboles muestran patrones, causados ​​por varios factores ambientales:La dendrocronología utiliza estos anillos de crecimiento de árboles, comparados a través de secuencias superpuestas, para establecer fechas precisas. La aplicación de este método muestra que el ¹⁴ C atmosférico varía con el tiempo debido a la actividad solar. Esta es la base de la curva de calibración de datación por carbono. Claramente, también se puede usar para detectar cualquier pico en la producción causado por las erupciones solares, si esas erupciones crean suficientes partículas energéticas para producir un aumento medible en ¹⁴ C.

Un examen de la curva de calibración, que tiene una resolución temporal de cinco años, mostró tres intervalos en los últimos 3.000 años en los que el ¹⁴ C aumentó significativamente. ^[15] Sobre la base de esto, se examinaron dos cedros japoneses con una resolución de un solo año, y mostraron un aumento del 1,2% en el 774 d. C. , unas veinte veces más grande de lo esperado de la variación solar normal. Este pico disminuyó constantemente durante los próximos años. El resultado fue confirmado por estudios de roble alemán, pino bristlecone de California, alerce siberiano y madera de Kauri de Nueva Zelanda. ^{[16] [17]} Todas las determinaciones coincidieron tanto en el tiempo como en la amplitud del efecto. Además, las mediciones de los esqueletos de coral del Mar de China Meridional mostraron variaciones sustanciales en ¹⁴ C durante unos meses aproximadamente al mismo tiempo; sin embargo, la fecha solo pudo establecerse dentro de un período de ± 14 años alrededor del 783 d. C. ^[18]

El carbono 14 no es el único isótopo que pueden producir las partículas energéticas. El berilio-10 ( ¹⁰ Be, vida media 1,4 millones de años) también se forma a partir de nitrógeno y oxígeno y se deposita en el hielo polar. Sin embargo, la deposición de ¹⁰ Be puede estar fuertemente relacionada con el clima local y muestra una variabilidad geográfica extrema; también es más difícil asignar fechas. ^[19] Sin embargo, se encontró un aumento de ¹⁰ Be durante la década de 770 en un núcleo de hielo de la Antártida, aunque la señal fue menos llamativa debido a la menor resolución temporal (varios años); otro aumento menor se observó en Groenlandia. ^{[16] [20]}Cuando se compararon los datos de dos sitios en el norte de Groenlandia y uno en la Antártida occidental, todos tomados con una resolución de un año, todos mostraron una fuerte señal: el perfil de tiempo también coincidía bien con los resultados de ¹⁴ C (dentro de la incertidumbre de la datación). para los datos de ¹⁰ Be). ^{[21] [22]} El cloro-36 ( ³⁶ Cl, vida media 301 mil años) puede producirse a partir de argón y depositarse en hielo polar; debido a que el argón es un componente atmosférico menor, la abundancia es baja. Los mismos núcleos de hielo que mostraron ¹⁰ Be también proporcionaron aumentos de ³⁶ Cl, aunque con una resolución de cinco años era imposible una coincidencia detallada.

También se ha encontrado un segundo evento en el año 993/4 d.C. a partir de ¹⁴ C en los anillos de los árboles, pero a una intensidad más baja., ^[20] y se encontró otro evento para el 660 a.C. ^[23] Este evento también produjo aumentos mensurables en ¹⁰ Be y ³⁶ Cl en núcleos de hielo de Groenlandia.

Si se supone que estos eventos son producidos por partículas energéticas de grandes llamaradas, no es fácil estimar la energía de las partículas en la llamarada o compararla con eventos conocidos. El evento de Carrington no aparece en los registros cosmogénicos, ni tampoco ningún otro evento de partículas grandes que se haya observado directamente. El flujo de partículas debe estimarse calculando las tasas de producción de radiocarbono y luego modelando el comportamiento del CO ₂ una vez que ha entrado en el ciclo del carbono ; la fracción del radiocarbono creado absorbido por los árboles depende en cierta medida de ese ciclo. El espectro de partículas energéticas de una llamarada solar varía considerablemente entre eventos; uno con un espectro 'duro', con más protones de alta energía, será más eficiente para producir un ¹⁴Aumento de C La llamarada más poderosa que también tuvo un espectro duro que se ha observado instrumentalmente tuvo lugar en febrero de 1956 (el comienzo de las pruebas nucleares oscurece cualquier posible efecto en el registro de ¹⁴ C); Se ha estimado que si una sola llamarada fuera responsable del evento AD 774/5, necesitaría ser de 25 a 50 veces más poderosa que esta. Una región activa del Sol puede producir varias erupciones durante su vida, y los efectos de tal secuencia se agregarían durante el período de un año cubierto por una sola medición de ¹⁴ C; sin embargo, el efecto total aún sería diez veces mayor que cualquier otro observado en un período similar en los tiempos modernos.

Las erupciones solares no son la única posibilidad de producir isótopos cosmogénicos. Inicialmente se propuso una ráfaga de rayos gamma larga o corta como una posible causa del evento AD 774/5. ^{[24] [25]} Sin embargo, esta explicación resultó ser muy poco probable, y el paradigma actual es que estos eventos son causados ​​por eventos extremos de partículas solares.

Registros históricos

Se han realizado varios intentos para encontrar evidencia adicional que respalde la interpretación de superflare del pico de isótopos alrededor del 774/5 d.C. mediante el estudio de registros históricos. El evento de Carrington produjo exhibiciones de auroras tan al sur como el Caribe y Hawai, correspondientes a una latitud geomagnética de aproximadamente 22 °; ^[26] si el evento 774/5 correspondía a un estallido aún más enérgico, debería haber habido un evento auroral global.

Usoskin y col. ^[16] citaron referencias a las auroras en las crónicas chinas para el año 770 (dos veces), 773 y 775 d. C. También citan una "cruz roja" en el cielo en el 773, 774 o 776 d. C. de la Crónica anglosajona ; ^[27] "escudos inflamados" o "escudos encendidos con un color rojo" vistos en el cielo sobre Alemania en el 776 d. C. registrados en los Anales Reales de los Francos ; "fuego en el cielo" visto en Irlanda en 772 dC; y una aparición en Alemania en 773 d. C. interpretada como jinetes en caballos blancos. La actividad solar mejorada alrededor del aumento de ^{14 °} C es confirmada por el registro de auroras chinas del 12 de enero de 776 d.C., según lo detallado por Stephenson et al. ^[28]Los registros chinos describen más de diez bandas de luces blancas "como la seda extendida" que se extienden a lo largo de ocho constelaciones chinas; la exhibición duró varias horas. Las observaciones, realizadas durante la dinastía Tang , se realizaron desde la capital, Chang'an .

Sin embargo, existen varias dificultades al intentar vincular los resultados del ¹⁴ C con las crónicas históricas. Las fechas de los anillos de los árboles pueden estar equivocadas porque no hay un anillo discernible durante un año (clima inusualmente frío) o dos anillos (un segundo crecimiento durante un otoño cálido). Si el clima frío fuera global, luego de una gran erupción volcánica, es concebible que los efectos también pudieran ser globales: la fecha aparente de ¹⁴ C puede no coincidir siempre con las crónicas.

Para el pico de isótopos en AD 993/994 estudiado por Hayakawa et al. ^{[29] Los} documentos históricos contemporáneos examinados muestran agrupaciones de observaciones de auroras a finales de 992, mientras que su relación con el pico de isótopos todavía está en discusión.

Actividad solar general en el pasado

Las superbrillantes parecen estar asociadas con un alto nivel general de actividad magnética. Además de buscar eventos individuales, es posible examinar los registros de isótopos para encontrar el nivel de actividad en el pasado e identificar períodos en los que puede haber sido mucho más alto que ahora. Las rocas lunares proporcionan un registro que no se ve afectado por los procesos de protección y transporte geomagnéticos. Ambos rayos cósmicos no solaresy los eventos de partículas solares pueden crear isótopos en las rocas, y ambos se ven afectados por la actividad solar. Los rayos cósmicos son mucho más energéticos y penetran más profundamente, pudiendo distinguirse de las partículas solares que afectan las capas externas. Se pueden producir varios radioisótopos diferentes con vidas medias muy diferentes; se puede considerar que la concentración de cada uno representa un promedio del flujo de partículas durante su vida media. Dado que los flujos deben convertirse en concentraciones de isótopos mediante simulaciones, aquí existe una cierta dependencia del modelo. Los datos son consistentes con la opinión de que el flujo de partículas solares energéticas con energías superiores a unas pocas decenas de MeV no ha cambiado durante períodos que van desde cinco mil a cinco millones de años. ^[30]Por supuesto, no se detectaría un período de actividad intensa en una escala de tiempo corta con respecto a la vida media.

^Las mediciones de ¹⁴ C, incluso con una resolución de tiempo baja, pueden indicar el estado de la actividad solar durante los últimos 11.000 años hasta alrededor de 1900. Aunque la datación por radiocarbono se ha aplicado desde hace 50.000 años, durante las desglaciaciones al comienzo del Holoceno, la biosfera y su absorción de carbono cambió drásticamente haciendo que la estimación antes de esto fuera poco práctica; aproximadamente después de 1900, el efecto Suess y las pruebas de bombas nucleares dificultan la interpretación. ^Las concentraciones de ¹⁰ Be en núcleos de hielo polar estratificado proporcionan una medida independiente de actividad. Ambas medidas concuerdan razonablemente entre sí y con el número de manchas solares de Zúrich de los dos últimos siglos. Como comprobación adicional, es posible recuperar el isótopo Titanio-44 ( ⁴⁴Ti, vida media 60 años) de meteoritos; esto proporciona una medida de actividad que no se ve afectada por cambios en el proceso de transporte o el campo geomagnético. ^[31] A pesar de que se limita a cerca de los dos últimos siglos, es consistente con todos menos uno de los ¹⁴ C y ¹⁰ Be reconstrucciones y confirma su validez. Los episodios de brotes energéticos discutidos anteriormente son raros; en escalas de tiempo largas (significativamente más de un año), el flujo de partículas radiogénicas está dominado por rayos cósmicos. El sistema solar interior está protegido por el campo magnético general del sol, que depende en gran medida del tiempo dentro de un ciclo y la fuerza del ciclo. El resultado es que los tiempos de actividad poderosa se muestran como disminucionesen las concentraciones de todos estos isótopos. Debido a que los rayos cósmicos también están influenciados por el campo geomagnético, las dificultades para reconstruir este campo ponen un límite a la precisión de las reconstrucciones.

La reconstrucción del ¹⁴ C de la actividad durante los últimos 11.000 años no muestra un período significativamente más alto que el presente; de hecho, el nivel general de actividad en la segunda mitad del siglo XX fue el más alto desde el 9000 a. C. En particular, la actividad en el período alrededor del evento de ¹⁴ C ^de 774 d.C. (promediado durante décadas) fue algo menor que el promedio a largo plazo, mientras que el evento de 993 d.C. coincidió con un mínimo pequeño. Un examen más detallado del período de AD 731-825, combinando varios ¹⁴Los conjuntos de datos C de resolución de uno y dos años con cuentas de auroras y manchas solares muestran un aumento general en la actividad solar (desde un nivel bajo) después de aproximadamente el 733 d.C., alcanzando su nivel más alto después de 757 y permaneciendo alto en los años 760 y 770; Hubo varias auroras en esta época, e incluso una aurora de baja latitud en China.

Efectos de una hipotética superflare solar

El efecto del tipo de superflare aparentemente encontrado en las nueve estrellas candidatas originales sería catastrófico para la Tierra y causaría graves daños a la atmósfera y a la vida. Aunque no sería tan poderoso como un estallido de rayos gamma. También dejaría rastros en el Sistema Solar ; el evento de S Fornacis, por ejemplo, implicó un aumento de la luminosidad de las estrellas en un factor de aproximadamente veinte. Thomas Gold sugirió que el esmalte en la superficie superior de ciertas rocas lunares podría ser causado por un estallido solar que involucre un aumento de luminosidad de más de cien veces durante 10 a 100 segundos en algún momento de los últimos 30.000 años. ^[32]Aparte de los efectos terrestres, esto provocaría el derretimiento local del hielo seguido de una nueva congelación hasta las lunas de Júpiter. No hay evidencia de que hayan ocurrido super llamaradas a esta escala en el Sistema Solar. ^[8]

Incluso para super llamaradas mucho más pequeñas, en el extremo inferior del rango de Kepler, los efectos serían graves. En 1859, el evento de Carrington causó fallas en el sistema de telégrafo en Europa y América del Norte. Las posibles consecuencias de hoy incluirían:

• Daño o pérdida de todos los satélites artificiales
• Los pasajeros de aerolíneas en vuelos transpolares recibirían altas dosis de radiación de las partículas energéticas (al igual que cualquier astronauta o la tripulación de la Estación Espacial Internacional )
• Agotamiento significativo de la capa de ozono con mayor riesgo de cataratas, quemaduras solares y cáncer de piel, así como daño a las plantas en crecimiento. El tiempo de recuperación sería del orden de meses a años. En los casos más fuertes, habría un daño severo a la biosfera, especialmente a la fotosíntesis primaria en los océanos.
• Fallo del sistema de distribución de electricidad (como en la tormenta geomagnética de marzo de 1989 ), posiblemente con daños a los transformadores y equipos de conmutación
• Pérdida de energía en los sistemas de refrigeración de las barras de combustible gastado almacenadas en las centrales nucleares
• Pérdida de la mayoría de las comunicaciones por radio debido a una mayor ionización en la atmósfera.

Es evidente que las super llamaradas a menudo se repiten en lugar de ocurrir como eventos aislados. El óxido nítrico (NO) y otros compuestos de nitrógeno extraños creados por las partículas de llamarada catalizan la destrucción del ozono sin consumirse, y tienen una larga vida en la estratosfera. Las llamaradas con una frecuencia de una al año o incluso menos tendrían un efecto acumulativo; la destrucción de la capa de ozono podría ser permanente y conducir al menos a un evento de extinción de bajo nivel.

Las superbrillantes también se han sugerido como una solución a la paradoja del joven y débil Sol . ^[33]

¿Pueden ocurrir super llamaradas en el Sol?

Dado que las superbrillantes pueden ocurrir en estrellas aparentemente equivalentes en todos los sentidos al Sol, es natural preguntarse si pueden ocurrir en el mismo Sol. Una estimación basada en los estudios fotométricos originales de Kepler sugirió una frecuencia en las estrellas de tipo solar (tipo G temprano y período de rotación de más de 10 días) de una vez cada 800 años para una energía de 10 ³⁴ erg y cada 5000 años a 10 ³⁵ erg. . ^[3] El muestreo de un minuto proporcionó estadísticas para destellos menos energéticos y dio una frecuencia de un destello de energía de 10 ³³ erg cada 500 a 600 años para una estrella que gira tan lentamente como el Sol; esto se clasificaría como X100 en la escala de llamaradas solares. ^[5]Esto se basa en una comparación sencilla del número de estrellas estudiadas con el número de llamaradas observadas. Una extrapolación de las estadísticas empíricas de las erupciones solares a una energía de 10 ³⁵ erg sugiere una frecuencia de uno en 10.000 años.

Sin embargo, esto no coincide con las propiedades conocidas de las estrellas superbrillantes. Tales estrellas son extremadamente raras en los datos de Kepler; un estudio mostró solo 279 estrellas de este tipo en 31.457 estudiadas, una proporción inferior al 1%; para las estrellas más viejas, esto se redujo al 0,25%. ^[3] Además, aproximadamente la mitad de las estrellas que estaban activas mostraron llamaradas repetidas: una tuvo hasta 57 eventos en 500 días. Concentrándose en estrellas de tipo solar, la más activa promedió una llamarada cada 100 días; la frecuencia de ocurrencia de superflare en las estrellas más activas similares al Sol es 1000 veces mayor que la del promedio general para tales estrellas. Esto sugiere que tal comportamiento no está presente durante la vida de una estrella, sino que se limita a episodios de actividad extraordinaria. Esto también lo sugiere la clara relación entre la actividad magnética de una estrella y su actividad de superflare; en particular, las estrellas superflare son mucho más activas (según el área de la mancha estelar) que el Sol.

No hay evidencia de ningún destello mayor que el observado por Carrington en 1859 y el destello de noviembre de 2003 de la región activa 10486 (ambos alrededor de 4 × 10 ³² erg, o 1 / 2.000 de las super llamaradas más grandes) en los últimos 200 años. Aunque los eventos más grandes del registro ¹⁴ C ca. 775 d.C. se identifica inequívocamente como un evento solar, su asociación con la energía de la llamarada no está clara y es poco probable que supere los 10 ³² erg.

Las superbrillantes más energéticas parecen ser descartadas por consideraciones energéticas de nuestro sol, que sugieren que no es capaz de una llamarada de más de 10 ³⁴ ergios. ^[34] Un cálculo de la energía libre en los campos magnéticos en las regiones activas que podrían liberarse como llamaradas da un límite superior de alrededor de 3 × 10 ³² erg, lo que sugiere que lo más energético que puede ser una super llamarada es aproximadamente la del evento de Carrington. ^[35]

Algunas estrellas tienen un campo magnético 5 veces mayor que el del Sol y giran mucho más rápido y, en teoría, podrían tener un destello de hasta 10 ³⁴ ergios. Esto podría explicar algunas superbrillantes en el extremo inferior del rango. Ir más alto que esto puede requerir una curva de rotación anti-solar, una en la que las regiones polares giran más rápido que las regiones ecuatoriales. ^{[35] [36]}

Ver también

• Estrella de llamarada
• Destello estelar
• Erupción solar
• Campo magnético estelar

Referencias

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