Nuggets oscuros en la corona solar

• Título: Radio impulsive events in quiet solar corona and Axion Quark Nugget Dark Matter
• Autores: Shuailiang Ge, Md Shahriar Rahim Siddiqui, Ludovic Van Waerbeke, and Ariel Zhitnitsky.
• Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia
• Estado: Publicado el 21 de diciembre en Physical Review D, de acceso abierto en arXiv

¿Por qué tan caliente?

El enigma sobre el calentamiento de la corona solar lleva décadas sin ser resuelto. Observaciones en la región de rayos-X y radiación ultravioleta (UV) muestran una estructura filamentosa que se extiende varios miles de kilómetros por encima de la fotosfera del Sol. La fotosfera es la última región del Sol visible al ojo humano y la responsable de la mayor parte de la emisión de energía del astro, se encuentra a una temperatura moderadamente caliente de 5700 K. Sin embargo, si nos seguimos alejando de la superficie del Sol, atravesando la cromosfera (ver Figura 2.), nos encontramos con la corona solar, a una temperatura de varios millones de Kelvin.

Actualmente la mejor teoría sobre el calentamiento de la corona solar argumenta que hay regiones sobre la superficie del Sol donde la concentración de líneas del campo magnético genera una alta cantidad de energía al interactuar entre sí. Estos puntos donde se concentra la energía se denominan nanofulguraciones o nanoflares (Parker 1987). La naturaleza de las nanoflares, sin embargo, no se conoce en detalle.

Nuggets exóticos: materia oscura y antimateria

Los autores del presente artículo proponen un mecanismo para explicar el origen de las nanoflares. A través de observaciones en la región de radio, los autores asocian las frecuencias características de emisión radio del Sol a las energías correspondientes a la aniquilación de una forma exótica de materia llamada Axion Quark Nugget (AQN). Los AQN son un candidato a materia oscura propuesto por Edward Witten (1984) que consiste en una congregación macroscópica de quarks (o antiquarks) y gluones. Estas bolas de materia tienen un tamaño de decenas de micrómetros y una densidad parecida a la del núcleo atómico, parafraseando a los autores, son como diminutas estrellas de neutrones distribuidas de manera uniforme por el espacio. Cuando AQNs formados por antimateria impactan sobre el Sol a causa de la gravedad, estos se aniquilan generando grandes cantidades de energía en regiones muy localizadas. De esta manera los electrones que se encuentran en la corona adquieren una alta energía cinética (conocidos como electrones no-térmicos o nonthermal electrons) que a su vez provoca la emisión de radiación radio.

Sintonizando la radio solar

Los autores analizan observaciones del Murchison Widefield Array (MWA), un sistema de antenas radio localizado en Australia que puede detectar señales en la región de 70-300 MHz. En concreto se centran en unos pulsos con frecuencias correspondientes a 98, 120, 132 y 160 MHz.

Las frecuencias características se asocian a capas distintas de emisión del plasma a causa del paso de electrones no-tèrmicos impulsados por un mismo AQN. Para justificar que provienen de la misma aniquilación de un AQN se recurre al análisis de la correlación temporal. Los investigadores desarrollan un modelo no-Poissoniano para explicar las emisiones en escalas de tiempo cortas, de pocos segundos. En estas escalas de tiempo se observan pulsos radio que sólo pueden ser explicados si provienen de un mismo AQN, en este caso los distintos sucesos no son independientes y la distribución de probabilidad de emisión no sigue una distribución Poissoniana, es decir, si nos fijamos en intervalos de tiempo pequeños veremos que tenemos más sucesos (emisiones radio) de los que cabría esperar dada la probabilidad de emisión que nos da un modelo de AQN donde cada emisión es independiente.

Conclusiones

Las aniquilaciones de AQN van inequívocamente acompañadas de emisiones radio. Este mecanismo es capaz de explicar las emisiones radio de la corona solar a distintas frecuencias como una o varias aniquilaciones de AQN. Distintas magnitudes físicas como la frecuencia de emisión, la correlación temporal y espacial respaldan la propuesta de los autores para asociar a los AQN como los responsables de las nanoflares. Este es un resultado prometedor que podría dar respuesta al enigma del calentamiento de la corona solar que lleva décadas eludiendo a los heliofísicos.

 Los autores proponen comprobar estas correlaciones en otras regiones del espectro electromagnético con MWA para reforzar su propuesta. Observaciones en frecuencias menores a 90MHz deberían tener una tendencia a estar atenuadas, a causa de varios factores como la perdida de energía de los electrones y las fluctuaciones intrínsecas de las emisiones radio con propiedades locales del plasma como la temperatura. En regiones de alta frecuencia (>240MHz) los autores apuntan que hay una limitación fundamental a causa de la absorción del plasma. Por último, sugieren un análisis conjunto de las observaciones del MWA con el Solar Orbiter (ESA) para identificar emisiones en el rango del ultravioleta extremo (UVE) con el mecanismo aquí propuesto.