Las superllamaradas son explosiones muy fuertes que se observan en estrellas con energías hasta diez mil veces superiores a las típicas llamaradas solares . Las estrellas de esta clase satisfacen condiciones que deberían hacerlas análogas a las solares, y se esperaría que fueran estables en escalas de tiempo muy largas. Las nueve candidatas originales fueron detectadas por una variedad de métodos. No fue posible realizar ningún estudio sistemático hasta el lanzamiento del telescopio espacial 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 tuvo estallidos violentos. En muchos casos hubo múltiples eventos en la misma estrella. Las estrellas más jóvenes tenían más probabilidades de estallar que las viejas, pero se observaron eventos fuertes en estrellas tan antiguas como el Sol.
Las erupciones se explicaron inicialmente postulando planetas gigantes en órbitas muy cercanas, de modo que los campos magnéticos de la estrella y el planeta estuvieran vinculados. La órbita del planeta deformaría las líneas de campo hasta que la inestabilidad liberara energía del campo magnético en forma de erupciones. Sin embargo, ningún planeta de ese tipo ha aparecido como un tránsito de Kepler y esta teoría ha sido abandonada.
Todas las estrellas superllamaradas muestran variaciones de brillo casi periódicas que se interpretan como manchas estelares muy grandes que se desplazan por rotación. Los estudios espectroscópicos encontraron líneas espectrales que eran indicadores claros de actividad cromosférica asociada con campos magnéticos fuertes y extensos. Esto sugiere que las superllamaradas solo difieren en escala de las erupciones solares.
Se han hecho intentos de detectar superllamaradas solares pasadas a partir de concentraciones de nitrato en el hielo polar , de observaciones históricas de auroras y de aquellos isótopos radiactivos que pueden ser producidos por 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 superllamaradas.
Las superllamaradas solares tendrían efectos drásticos, especialmente si se produjeran en forma de 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 ha encontrado ninguna indicación de superllamaradas solares durante los últimos diez milenios. Sin embargo, las estrellas con superllamaradas de tipo solar son muy raras y son magnéticamente mucho más activas que el Sol; si ocurren superllamaradas solares, pueden ser en episodios bien definidos que ocupan una pequeña fracción de su tiempo.
Una estrella superfulgurante no es lo mismo que una estrella fulgurante , que normalmente se refiere a una enana roja de tipo espectral muy tardío . El término se limita a grandes eventos transitorios en estrellas que satisfacen las siguientes condiciones: [1]
En esencia, estas estrellas pueden considerarse análogas al Sol. Originalmente se encontraron nueve estrellas superllamaradas, algunas de ellas similares al Sol .
El artículo original identificó nueve objetos candidatos a partir de una búsqueda bibliográfica: [1]
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 He I D3 de 5875,6 Å vista en emisión.
Las observaciones varían para cada objeto. Algunas son mediciones de rayos X, otras son visuales, fotográficas, espectroscópicas o fotométricas. Las energías de los eventos varían de 2 × 10 33 a 2 × 10 38 ergios.
La sonda 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 una zona fija del cielo (en las constelaciones de Cygnus, Lyra y Draco) para detectar cambios en el brillo causados por los planetas que pasan por delante del disco estelar. Más de 90.000 son estrellas de tipo G (similares al Sol) en o cerca de la secuencia principal. El área observada corresponde a aproximadamente el 0,25% de todo el cielo. El fotómetro es sensible a longitudes de onda de 400–865 nm: todo el espectro visible y parte del infrarrojo. La precisión fotométrica lograda por Kepler es típicamente del 0,01% (0,1 mmag) para tiempos de integración de 30 minutos de estrellas de magnitud 12.
La alta precisión, la gran cantidad de estrellas observadas y el largo período de observación hacen que Kepler sea ideal para detectar superllamaradas. Los estudios publicados en 2012 y 2013 involucraron 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 6000 K (el valor solar es 5750 K) para encontrar estrellas de clase espectral similar al Sol, y el log de gravedad superficial g > 4.0 para eliminar subgigantes y gigantes. Las clases espectrales van de F8 a G8. El tiempo de integración fue de 30 minutos en el estudio original. Los estudios encontraron 1.547 superllamaradas 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. Las llamaradas de luz blanca en el Sol cambian el brillo en aproximadamente un 0,01%, y las llamaradas 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 cierta energía se emite en otras longitudes de onda). La mayoría de los eventos fueron mucho menos energéticos que esto: amplitudes de llamaradas inferiores al 0,1% del valor estelar y energías de 2 × 10 33 ergios fueron detectables con la integración de 30 minutos. Las llamaradas tuvieron un rápido aumento seguido de una disminución exponencial en una escala de tiempo de 1 a 3 horas. Los eventos más poderosos correspondieron a energías diez mil veces mayores que las llamaradas 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. En cuanto a las estadísticas de las erupciones, el número de erupciones disminuyó con la energía E aproximadamente como E −2 , un comportamiento similar al de las erupciones solares. La duración de la erupciones aumentó con su energía, nuevamente en concordancia con el comportamiento solar.
Algunos datos de Kepler se toman en muestreos de un minuto, aunque inevitablemente con menor precisión. [5] El uso de estos datos, en una muestra más pequeña de estrellas, revela llamaradas 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 las llamaradas 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 superllamaradas muestran múltiples picos con separaciones de 100 a 1000 segundos, nuevamente comparables a las pulsaciones en las llamaradas solares. La estrella KIC 9655129 mostró dos períodos, de 78 y 32 minutos, lo que sugiere oscilaciones magnetohidrodinámicas en la región de llamaradas. [6] Estas observaciones sugieren que las superllamaradas son diferentes solo en escala y no en tipo a las llamaradas solares.
Las estrellas superllamaradas muestran una variación de brillo casi periódica, que se interpreta como evidencia de manchas estelares arrastradas por la rotación estelar. Esto permite una estimación del período de rotación de la estrella; los valores varían desde menos de un día hasta decenas de días (el valor para el Sol es de 25 días). En el Sol, el seguimiento mediante radiómetros desde satélites muestra que las manchas solares grandes pueden reducir el brillo hasta en un 0,2%. En las estrellas superllamaradas, las variaciones de brillo más comunes son del 1 al 2%, aunque pueden ser tan grandes como el 7 u 8%, lo que sugiere que el área de las manchas estelares puede ser mucho mayor que cualquier otra que se encuentre en el Sol. En algunos casos, las variaciones de brillo pueden modelarse con solo una o dos manchas estelares grandes, aunque no todos los casos son tan simples. Las manchas estelares pueden ser grupos de manchas más pequeñas o manchas gigantes individuales.
Las llamaradas 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 llamaradas mucho más frecuentes; también existe una tendencia a que tengan llamaradas más energéticas. Se pueden encontrar grandes variaciones incluso en las estrellas que giran más lentamente: una estrella tuvo 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. Al estimar el tamaño de las manchas estelares a partir de la variación de amplitud y asumir 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 superllamaradas y las erupciones solares tienen esencialmente el mismo mecanismo.
Para determinar si pueden producirse superllamaradas en el Sol, es importante limitar 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 5600 K (estrellas de tipo G tempranas y tardías), las estrellas de temperatura más baja tienen aproximadamente el doble de probabilidades de mostrar actividad de superllamaradas que las del rango solar y las que lo hacen tienen más llamaradas: la frecuencia de aparición de las 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 con llamaradas 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. Sin embargo, se encontraron 44 superllamaradas en 19 estrellas con temperaturas similares a las del Sol y períodos mayores de 10 días (de 14.000 estrellas de este tipo examinadas); se detectaron cuatro superllamaradas con energías en el rango de 1-5 × 10 33 ergios en estrellas que giran 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 tener llamaradas, tienen la misma proporción de llamaradas muy energéticas que las estrellas más jóvenes y frías.
Los datos de Kepler también se han utilizado para buscar llamaradas en estrellas de tipos espectrales posteriores a G. Se examinó una muestra de 23.253 estrellas con temperatura efectiva T eff menor de 5150 K y gravedad superficial log g > 4,2, correspondientes a estrellas de secuencia principal posteriores a K0V, en busca de llamaradas durante un período de tiempo de 33,5 días. [7] Se identificaron 373 estrellas con llamaradas obvias. Algunas estrellas tuvieron solo una llamarada, mientras que otras mostraron 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 estrellas de tipo G; sin embargo, dado que las estrellas K y M son menos luminosas que el 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 emiten llamaradas con mayor frecuencia que las estrellas K, pero la duración de cada llamarada tiende a ser más corta. No es posible sacar conclusiones sobre la proporción relativa de estrellas de tipo G y K que muestran superllamaradas, ni sobre la frecuencia de las llamaradas en aquellas estrellas que sí muestran dicha actividad, ya que los algoritmos y criterios de detección de llamaradas en los dos estudios son bastante diferentes.
La mayoría de las estrellas K y M (aunque no todas) muestran las mismas variaciones de brillo cuasi periódicas que las estrellas G. Existe una tendencia a que se produzcan llamaradas más energéticas en las estrellas más variables; sin embargo, la frecuencia de las llamaradas está relacionada sólo débilmente con la variabilidad.
Cuando se descubrieron originalmente las superllamaradas en estrellas de tipo solar, se sugirió [8] que estas erupciones podían ser producidas por la interacción del campo magnético de la estrella con el campo magnético de un planeta gigante gaseoso que orbitaba tan cerca de la primaria que los campos magnéticos estaban vinculados. La rotación o el movimiento orbital darían cuerda a los campos magnéticos hasta que una reconfiguración de los campos causaría una liberación explosiva de energía. Las variables RS Canum Venaticorum son sistemas binarios cercanos, con períodos orbitales de 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 la primaria; algunos muestran grandes llamaradas que se cree que son causadas por la reconexión magnética. La compañera está lo suficientemente cerca como para hacer girar la estrella mediante interacciones de marea.
Sin embargo, un gigante gaseoso no sería lo suficientemente masivo como para hacer esto, dejando inalteradas las diversas propiedades mensurables de la estrella (velocidad de rotación, actividad cromosférica). 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 de 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 que orbitaban muy cerca, conocidos como Júpiter calientes ; los estudios de dos de estos sistemas mostraron variaciones periódicas de la actividad cromosférica del primario sincronizadas con el período del compañero.
No todos los tránsitos planetarios pueden ser detectados por Kepler, 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 alrededor del 10%. Si las superllamaradas fueron causadas por planetas cercanos, las 279 estrellas en llamaradas descubiertas deberían tener alrededor de 28 compañeros en tránsito; ninguno de ellos mostró evidencia de tránsitos, lo que efectivamente excluye esta explicación.
Los estudios espectroscópicos de las superllamaradas permiten determinar sus propiedades con más detalle, con la esperanza de detectar la causa de las mismas. 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 superllamaradas. De éstas, sólo 16 mostraron evidencia de ser binarias visuales o espectroscópicas; éstas fueron excluidas ya que las binarias cercanas son frecuentemente activas, mientras que en el caso de las binarias visuales existe la posibilidad de que la actividad tenga lugar en la estrella compañera. La espectroscopia permite determinaciones precisas de la temperatura efectiva, la gravedad superficial y la abundancia de elementos más allá del helio (" metalicidad "); la mayoría de las 34 estrellas individuales resultaron ser estrellas de secuencia principal de tipo espectral G y composición similar al Sol. Dado que propiedades como la temperatura y la gravedad superficial cambian a lo largo de 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 ser superior a varios cientos de millones de años. Esto es importante porque se sabe que las estrellas muy jóvenes son mucho más activas. Nueve de las estrellas se ajustaban a la definición más estricta de tipo solar dada anteriormente, con temperaturas superiores a 5600 K y períodos de rotación superiores a 10 días; algunas tenían períodos superiores a 20 o incluso 30 días. Solo cinco de las 34 podrían describirse como estrellas de rotación rápida.
Las observaciones de LAMOST se han utilizado para medir la actividad cromosférica de 5.648 estrellas similares al Sol en el campo Kepler, incluidas 48 estrellas superllamaradas. [11] Estas observaciones muestran que las estrellas superllamaradas se caracterizan generalmente por mayores emisiones cromosféricas que otras estrellas, incluido el Sol. Sin embargo, existen estrellas superllamaradas con niveles de actividad inferiores o comparables a los del Sol, lo que sugiere que las erupciones solares y las superllamaradas probablemente comparten el mismo origen. El gran conjunto de estrellas similares al Sol incluido en este estudio permite realizar estimaciones detalladas y sólidas de la relación entre la actividad cromosférica y la aparición de superllamaradas.
Todas las estrellas mostraron variaciones de brillo cuasi periódicas, que van 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, se forman grandes placas cromosféricas alrededor de los grupos de manchas solares. Se sabe que las intensidades de ciertas líneas solares y estelares generadas en la cromosfera, en particular 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 muestran incluso variaciones cíclicas que recuerdan al ciclo solar de 11 años. Al observar ciertas líneas infrarrojas de Ca II para las 34 estrellas superllamaradas fue posible estimar su actividad cromosférica. Las mediciones de las mismas líneas en puntos dentro de una región activa del Sol, junto con 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 estrellas de rotación lenta: incluso estrellas tan lentas como el Sol pueden tener una alta actividad. Todas las estrellas superllamaradas 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 manchas estelares): todas las estrellas con grandes variaciones de amplitud mostraron una alta actividad.
El conocimiento del área aproximada cubierta por las manchas estelares a partir del tamaño de las variaciones y la intensidad del campo estimada a partir de la actividad cromosférica permite una estimación de la energía total almacenada en el campo magnético; en todos los casos, había suficiente energía almacenada en el campo para explicar incluso las superllamaradas más grandes. Tanto las observaciones fotométricas como las espectroscópicas son consistentes con la teoría de que las superllamaradas 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 a las del Sol.
Dado que las estrellas aparentemente similares al Sol pueden producir superllamaradas, es natural preguntarse si el Sol mismo puede hacerlo y tratar de encontrar evidencia de que lo haya hecho en el pasado. Las grandes llamaradas invariablemente van acompañadas de partículas energéticas, y estas partículas producen efectos si alcanzan la Tierra. El Evento Carrington de 1859, la llamarada más grande de la que tenemos observación directa, produjo espectáculos aurorales globales que se extendieron cerca del ecuador. [13] Las partículas energéticas pueden producir cambios químicos en la atmósfera, que pueden registrarse permanentemente en el hielo polar. Los protones rápidos generan isótopos distintivos, en particular carbono-14, que pueden ser absorbidos y preservados por las criaturas vivientes.
Cuando las partículas energéticas solares alcanzan la atmósfera terrestre, provocan una ionización que crea óxido nítrico (NO) y otras especies reactivas de nitrógeno, que luego precipitan en forma de nitratos. Dado que todas las partículas cargadas energéticas 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 nitratos 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 (con un margen de uno o dos años) contando las capas anuales en los núcleos, comprobadas mediante la identificación de depósitos asociados con erupciones volcánicas conocidas. El núcleo contenía una variación anual de la concentración de nitratos, acompañada de una serie de "picos" de diferentes amplitudes. El más fuerte de todos los eventos registrados se produjo 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 mayores concentraciones 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 se fechó en 1859, excepto el ya mencionado, y ese parece ser demasiado pronto después del evento Carrington y demasiado corto para que se pueda explicar por él. Todos estos picos se asociaron con amonio y otros indicadores químicos de combustión. La conclusión es que las concentraciones de nitrato no se pueden utilizar como indicadores de la actividad solar histórica. [14]
Cuando los protones energéticos entran en la atmósfera crean isótopos por reacciones con los componentes principales; el más importante de estos es el carbono-14 ( 14 C), que se crea cuando los neutrones secundarios reaccionan con el nitrógeno. 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. Medir el contenido de 14 C y utilizar 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 los árboles, comparados a través de secuencias superpuestas, para establecer fechas precisas. La aplicación de este método muestra que el 14 C atmosférico varía de hecho con el tiempo, debido a la actividad solar. Esta es la base de la curva de calibración de la datación por carbono. También se puede utilizar para detectar picos de producción causados por erupciones solares, si dichas erupciones crean suficientes partículas energéticas para producir un aumento medible de 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 año 774 d. C. , unas veinte veces mayor que lo esperado a partir de la variación solar normal. Este pico disminuyó de manera constante durante los siguientes años. El resultado fue confirmado por estudios del roble alemán, el pino bristlecone de California, el alerce siberiano y la 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 el 14 C durante unos pocos meses alrededor del mismo tiempo; sin embargo, la fecha solo pudo establecerse dentro de un período de ±14 años alrededor del año 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 de 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 sorprendente debido a la menor resolución temporal (varios años); se observó otro aumento más pequeño 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 señal fuerte: el perfil temporal también coincidió bien con los resultados de 14 C (dentro de la incertidumbre de la datación de los datos de 10 Be). [21] [22] El cloro-36 ( 36Cl , vida media de 301 mil años) se puede producir a partir del argón y depositarlo en el hielo polar; debido a que el argón es un componente atmosférico menor, su 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 fue imposible realizar una comparación 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 con una intensidad menor, [20] y se encontró otro evento para el año 660 a. C. [23] Este evento también produjo aumentos mensurables en 10 Be y 36 Cl en los 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, y tampoco lo hizo ningún otro evento de partículas grandes que haya sido observado directamente. El flujo de partículas debe estimarse calculando las tasas de producción de radiocarbono y luego modelando el comportamiento del CO2 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 aumento de 14 C. La llamarada más poderosa que también tenía 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 única llamarada fuera responsable del evento del 774/5 d. C., tendría que ser entre 25 y 50 veces más potente que esto. Una región activa del Sol puede producir varias llamaradas a lo largo de su vida, y los efectos de dicha secuencia se sumarían a lo largo del período de un año que abarca una única medición de 14 C; sin embargo, el efecto total sería diez veces mayor que cualquier cosa observada en un período similar en tiempos modernos.
Las erupciones solares no son la única posibilidad de producir isótopos cosmogénicos. Inicialmente se propuso un estallido de rayos gamma de corta o larga duración como posible causa del evento de 774/5 d. C. [24] [25] Sin embargo, esta explicación resultó ser muy improbable y el paradigma actual es que estos eventos son causados por eventos extremos de partículas solares.
Se han hecho varios intentos para encontrar evidencia adicional que respalde la interpretación de la superllamarada del pico isotópico alrededor del año 774/5 d.C. mediante el estudio de registros históricos. El evento de Carrington produjo auroras tan al sur como el Caribe y Hawai, lo que corresponde a una latitud geomagnética de aproximadamente 22°; [26] si el evento de 774/5 correspondió a una llamarada aún más energética, debería haber habido un evento auroral global.
Usoskin et al. [16] citaron referencias a auroras en crónicas chinas para 770 d. C. (dos veces), 773 y 775. También citan una "cruz roja" en el cielo en 773, 774 o 776 d. C. de la Crónica anglosajona ; [27] "escudos inflamados" o "escudos ardiendo con un color rojo" vistos en el cielo sobre Alemania en 776 d. C. registrados en los Anales francos reales ; "fuego en el cielo" visto en Irlanda en 772 d. C.; 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 está confirmada por el registro auroral chino del 12 de enero de 776 d. C., como detallan Stephenson et al. [28] Los registros chinos describen más de diez bandas de luces blancas "como la seda extendida" que se extienden a través de ocho constelaciones chinas; el espectáculo duró varias horas. Las observaciones, realizadas durante la dinastía Tang , se realizaron desde la capital Chang'an .
Sin embargo, hay una serie de dificultades a la hora de intentar vincular los resultados de 14 C con las crónicas históricas. Las fechas de los anillos de los árboles pueden ser erróneas porque no hay un anillo discernible para un año (clima inusualmente frío), o dos anillos (un segundo crecimiento durante un otoño cálido). Si el clima frío fuera global, después 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.
En el caso del pico isotópico de 993/994 d. C. estudiado por Hayakawa et al. [29], los documentos históricos contemporáneos examinados muestran agrupaciones de observaciones aurorales a finales de 992, mientras que su relación con el pico isotópico aún está en discusión.
Las superllamaradas parecen estar asociadas a 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 transporte y blindaje geomagnético. Tanto los rayos cósmicos no solares como 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, y se pueden distinguir de las partículas solares que afectan a las capas externas. Se pueden producir varios radioisótopos diferentes con vidas medias muy diferentes; la concentración de cada uno puede considerarse como una representación de un promedio del flujo de partículas a lo largo de su vida media. Dado que los flujos deben convertirse en concentraciones de isótopos mediante simulaciones, aquí hay 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 a lo largo de períodos que van desde cinco mil a cinco millones de años. [30] Por supuesto, no se detectaría un período de intensa actividad durante una escala de tiempo corta con respecto a la vida media.
Las mediciones de 14 C, incluso con baja resolución temporal, pueden indicar el estado de la actividad solar durante los últimos 11.000 años hasta aproximadamente 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 cambiaron drásticamente, lo que hizo que la estimación antes de esta fecha fuera impráctica; después de aproximadamente 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 la actividad. Ambas medidas concuerdan razonablemente entre sí y con el número de manchas solares de Zurich de los últimos dos siglos. Como verificación adicional, es posible recuperar el isótopo titanio-44 ( 44Ti , vida media de 60 años) de los meteoritos; esto proporciona una medida de la actividad que no se ve afectada por cambios en el proceso de transporte o el campo geomagnético. [31] Aunque se limita a los últimos dos siglos, es coherente con todas las reconstrucciones de 14 C y 10 Be, excepto una, y confirma su validez. Los eventos de llamaradas energéticas 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 de la fuerza del ciclo. El resultado es que los momentos de actividad poderosa se muestran como disminuciones en 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 establecen un límite a la precisión de las reconstrucciones.
La reconstrucción de la actividad solar a lo largo de los últimos 11.000 años con 14 C no muestra ningún período significativamente superior al actual; de hecho, el nivel general de actividad en la segunda mitad del siglo XX fue el más alto desde el año 9000 a. C. En particular, la actividad en el período en torno al evento de 14 C de 774 d. C. (promediado a lo largo de décadas) fue algo inferior al promedio a largo plazo, mientras que el evento de 993 d. C. coincidió con un pequeño mínimo. Un examen más detallado del período comprendido entre 731 y 825 d. C., combinando varios conjuntos de datos de 14 C con una resolución de uno y dos años con recuentos de auroras y manchas solares, muestra un aumento general de la actividad solar (a partir de un nivel bajo) después de aproximadamente 733 d. C., alcanzando su nivel más alto después de 757 y permaneciendo alto en los decenios de 760 y 770; hubo varias auroras en esta época, e incluso una aurora de baja latitud en China.
El efecto de una superllamarada como la que se encontró en las nueve estrellas candidatas originales sería catastrófico para la Tierra y causaría graves daños a la atmósfera y a la vida. [ especificar ] [32] [33] Aunque no sería tan potente como una explosión de rayos gamma. [34] También dejaría rastros en el Sistema Solar ; el evento en 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 una explosión solar que implicó un aumento de la luminosidad de más de cien veces durante 10 a 100 segundos en algún momento de los últimos 30.000 años. [35] Aparte de los efectos terrestres, esto causaría un derretimiento local del hielo seguido de un recongelamiento en lugares tan lejanos como las lunas de Júpiter. No hay evidencia de que se hayan producido superllamaradas de esta escala en el Sistema Solar. [8]
También se han sugerido las superllamaradas como una solución a la paradoja del débil Sol joven . [36] [37] [38] [39]
Una estimación basada en los estudios fotométricos originales de Kepler sugirió una frecuencia en 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 para 10 35 erg. [3] El muestreo de un minuto proporcionó estadísticas para erupciones menos energéticas y dio una frecuencia de una llamarada de energía 10 33 erg cada 500 a 600 años para una estrella que gira tan lentamente como el Sol; esto se calificaría como X100 en la escala de erupciones solares. [5] Esto se basa en una comparación directa del número de estrellas estudiadas con el número de erupciones observadas. Una extrapolación de las estadísticas empíricas para las erupciones solares a una energía de 10 35 erg sugiere una frecuencia de una en 10.000 años.
Sin embargo, esto no coincide con las propiedades conocidas de las estrellas superllamaradas. Dichas 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 antiguas, esta proporción se redujo al 0,25%. [3] Además, aproximadamente la mitad de las estrellas que estaban activas mostraron llamaradas repetidas: una tuvo nada menos que 57 eventos en 500 días. Concentrándose en las estrellas de tipo solar, la más activa promedió una llamarada cada 100 días; la frecuencia de ocurrencia de superllamaradas en las estrellas similares al Sol más activas es 1000 veces mayor que la del promedio general para tales estrellas. Esto sugiere que dicho comportamiento no está presente durante toda 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 superllamaradas; en particular, las estrellas superllamaradas son mucho más activas (según el área de manchas estelares) que el Sol.
No hay evidencia de ninguna llamarada mayor que la observada por Carrington en 1859 y la llamarada de noviembre de 2003 de la región activa 10486 (ambas de aproximadamente 4×10 32 erg, o 1/2000 de las superllamaradas más grandes) en los últimos 200 años. [ cita requerida ] Aunque los eventos más grandes del registro de 14 C ca. 775 d.C. se identifican inequívocamente como un evento solar, su asociación con la energía de la llamarada no está clara y es poco probable que exceda los 10 32 erg.
Las superllamaradas más energéticas parecen descartarse por consideraciones energéticas para el Sol, que sugieren que no es capaz de una llamarada de más de 10 34 ergs. [40] Un cálculo de la energía libre en campos magnéticos en regiones activas que podrían liberarse como llamaradas da un límite superior de alrededor de 3×10 32 erg, lo que sugiere que la más energética que puede ser una superllamarada es aproximadamente la del evento de Carrington. [41]
Algunas estrellas tienen un campo magnético cinco veces superior al del Sol y giran mucho más rápido, por lo que teóricamente podrían tener una llamarada de hasta 10 34 ergios. Esto podría explicar algunas superllamaradas en el extremo inferior del rango. Para ir más allá de esto puede requerirse una curva de rotación antisolar, en la que las regiones polares giren más rápido que las regiones ecuatoriales. [41] [42]
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