Sunward Streaming 3He-rich SEP Events Observed by Solar Orbiter and Parker Solar Probe during Perihelion Passage

Este artículo reporta la primera observación de múltiples naves espaciales de partículas solares energéticas ricas en 3He con flujo hacia el Sol por parte de Solar Orbiter y Parker Solar Probe, revelando que estas partículas recorrieron trayectorias significativamente más largas de lo esperado debido a la redirección por una eyección de masa coronal lenta originada en la región activa 13615.

Lo esencial

La visión general: Un "giro en U" solar

Imagine que el Sol es un gigantesco faro que emite constantemente partículas (como pequeñas canicas de alta velocidad) hacia el espacio. Normalmente, cuando ocurre una ráfaga de estas partículas, salen disparadas directamente desde el Sol, como el agua de una manguera de jardín. Los científicos llaman a estas ráfagas "eventos de Partículas Solares Energéticas" (SEP, por sus siglas en inglés).

Normalmente, si estuviera flotando en el espacio, vería estas partículas viniendo hacia usted desde el Sol. Pero en este estudio, los científicos, utilizando dos naves espaciales especiales —Solar Orbiter (SO) y Parker Solar Probe (PSP)— observaron algo extraño.

En lugar de ver las partículas volando lejos del Sol, las vieron volando de regreso hacia el Sol. Fue como ver un coche conducir por una autopista, encontrarse con una enorme señal de desvío y, de repente, conducir de regreso hasta la línea de salida.

El misterio: Dos pistas extrañas

Los investigadores encontraron dos cosas muy extrañas sobre estas ráfagas de partículas específicas (que eran ricas en un tipo raro de helio llamado Helio-3):

1. El "giro en U" (Flujo hacia el Sol): Las partículas se movían hacia el Sol, no lejos de él. Esto es muy raro para este tipo de partícula.
2. El "camino largo a casa" (Longitud de la trayectoria): Para llegar a la nave espacial, las partículas tuvieron que recorrer un camino que fue de 2 a 8 veces más largo que la distancia en línea recta desde el Sol. Imagine que intenta caminar desde su casa hasta la tienda, pero en lugar de caminar 1 milla, tiene que caminar 5 millas porque se ve obligado a dar un gran desvío alrededor de una zona de construcción.

El trabajo de detective: Encontrando al culpable

Los científicos se preguntaron: ¿Qué podría obligar a estas partículas a tomar un camino tan largo y hacia atrás?

Consultaron la historia del Sol. Descubrieron una explosión en "cámara lenta" (una Eyección de Masa Coronal, o CME) que ocurrió dos días antes de la llegada de las partículas. Piense en esta CME no como una bala rápida, sino como una nube gigante de fuerza magnética que se expande lentamente hacia afuera desde el Sol.

La analogía:
Imagine que el Sol es una fábrica y las líneas de campo magnético son vías de tren.

• Normalmente, las vías son líneas rectas que salen de la fábrica.
• La CME lenta es como un tren gigante y lento que se quedó atascado en las vías.
• Las partículas (los nuevos trenes) intentaron salir de la fábrica, pero chocaron con la parte trasera del tren atascado.
• En lugar de detenerse, fueron obligadas a rodear el exterior del tren atascado para poder pasar.

Debido a que tuvieron que rodear esta gigante nube magnética, su trayectoria se volvió increíblemente larga. Y debido a que la nube se movía lentamente, las partículas terminaron siendo empujadas de regreso hacia el Sol mientras intentaban navegar alrededor de ella.

La evidencia: Una visión de múltiples naves espaciales

Los científicos tuvieron una ventaja única: tenían dos "cámaras" en el espacio a diferentes distancias.

• Solar Orbiter estaba aproximadamente al 30% del camino entre el Sol y la Tierra.
• Parker Solar Probe estaba mucho más cerca, aproximadamente al 16% del camino.

Normalmente, la nave espacial más cercana ve las partículas primero. Pero en este caso, Solar Orbiter las vio primero, y Parker Solar Probe las vio después. Esto demostró que las partículas estaban efectivamente moviéndose hacia atrás, hacia el Sol. Si se estuvieran moviendo hacia afuera, la sonda más cercana las habría visto primero.

¿Por qué es esto importante?

El artículo sugiere algunas cosas interesantes sobre cómo funciona el Sol:

1. El efecto "semilla": Estas partículas no desaparecieron simplemente. Probablemente fueron empujadas de regreso hacia la superficie del Sol (la corona). Los científicos creen que estas partículas podrían quedarse atrapadas allí, actuando como "semillas" que pueden ser re-aceleradas más tarde para crear tormentas solares aún más grandes.
2. Tormentas generalizadas: A veces, estas tormentas de partículas se ven en áreas enormes del espacio (cientos de grados de amplitud). El artículo sugiere que si una tormenta de partículas envuelve una nube magnética gigante (como la CME en este estudio), puede extenderse sobre un área muy amplia, explicando por qué a veces vemos estas tormentas en todas partes al mismo tiempo.

Resumen

En resumen, este artículo describe un evento raro en el que las partículas solares quedaron atrapadas en un "atasco" magnético causado por una nube solar de movimiento lento. Esto obligó a las partículas a dar un enorme desvío y a viajar de regreso hacia el Sol. Es la primera vez que los científicos ven esto suceder con dos naves espaciales al mismo tiempo, brindándonos una nueva comprensión de cómo las partículas solares pueden perderse, ser redirigidas y potencialmente ser recicladas en nuestro sistema solar.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Observación de SEPs ricos en $^3$He con flujo hacia el Sol por Solar Orbiter y Parker Solar Probe

Planteamiento del Problema
Los eventos de Partículas Solares Energéticas (SEP), particularmente aquellos ricos en Helio-3 ($^3$He), sirven como sondas críticas para comprender la aceleración de partículas en la corona solar baja y los procesos de transporte en el heliosfera. Si bien los eventos ricos en $^3$He se caracterizan típicamente por un enriquecimiento isotópico extremo y una distribución longitudinal limitada (típicamente 20–30°), persisten lagunas significativas en la comprensión de sus orígenes, mecanismos de aceleración y dinámica de transporte. Específicamente, observaciones previas han señalado longitudes de trayectoria de viaje de partículas anomalamente largas (2–4 veces la espiral de Parker nominal) y casos poco comunes de distribución amplia. Además, el fenómeno del "flujo hacia el Sol" (sunward streaming)—donde las SEPs fluyen hacia el Sol en lugar de alejarse de él—está bien documentado en eventos acelerados por choques, pero permanece sin explicar para los eventos ricos en $^3$He, que son acelerados enteramente dentro de la corona solar. Este estudio aborda las observaciones anómalas de dos eventos de SEPs ricos en $^3$He que exhibieron tanto flujo hacia el Sol como longitudes de trayectoria excepcionalmente largas durante la conjunción del 1 al 4 de abril de 2024 de Solar Orbiter (SO) y Parker Solar Probe (PSP).

Metodología
El estudio utiliza datos de observación remota y mediciones in situ de múltiples naves espaciales para caracterizar dos eventos distintos de SEPs ricos en $^3$He originados en la Región Activa (AR) 13615.

• Mediciones in situ: Los datos de partículas energéticas se obtuvieron del Espectrómetro de Isótopos Solares (SIS) en SO y del Espectrómetro de Investigación de Partículas Energéticas (EPI-Hi/LET) en PSP. Estos instrumentos proporcionaron una resolución de masa de alta precisión para $^3$He, $^4$He e iones pesados (C–Fe), así como mediciones de flujo direccional mediante telescopios con diversos ángulos de visión (hacia el Sol vs. hacia el antisol). Los parámetros del plasma del viento solar y los datos del Campo Magnético Interplanetario (IMF) se adquirieron mediante SWA (SO) y SWEAP (PSP) para caracterizar el entorno local.
• Análisis de la longitud de la trayectoria: Las longitudes de trayectoria de viaje de las partículas se calcularon definiendo el tiempo de liberación solar mediante ráfagas de radio de Tipo III asociadas y midiendo los tiempos de llegada de bins de energía específicos (1.47 MeV/nuc para SO, 1.68 MeV/nuc para PSP). Los perfiles de dispersión de velocidad se compararon contra las expectativas nominales de la espiral de Parker.
• Cuantificación de la anisotropía: La anisotropía de primer orden se calculó utilizando las relaciones de flujo entre telescopios opuestos (por ejemplo, SIS-A vs. SIS-B) para determinar la dirección del flujo masivo de las partículas, corregida por el efecto Compton-Getting para transformar los datos al marco del viento solar.
• Observación Remota y Modelado: Las regiones de origen solar se identificaron mediante datos de SO/EUI (EUV) y SO/STIX (Rayos X). Se identificó una Candidata Coronal Mass Ejection (CME) en imágenes de coronógrafo de luz blanca de SOHO/LASCO. La cinemática (velocidad, aceleración) y la geometría (excentricidad, anchura) de la CME se modelaron utilizando ajustes elípticos al frente de la CME en imágenes de diferencia de LASCO. Posteriormente, se construyó un modelo geométrico para simular la propagación de las SEPs a lo largo de las líneas de campo magnético que se envuelven alrededor de la ICME propagándose para estimar las longitudes de trayectoria teóricas.

Resultos Clave

1. Anisotropía de Flujo hacia el Sol: Tanto SO como PSP observaron una anisotropía negativa distintiva (flujo masivo hacia el Sol) durante la fase dispersiva de ambos eventos. En SO, los telescopios orientados hacia el antisol (SIS-B) midieron flujos más altos que los telescopios orientados hacia el sol (SIS-A), una reversión de la dirección esperada para la liberación coronal. Esto fue confirmado por PSP, donde los telescopios orientados hacia el antisol (LET-B, LET-C) registraron intensidades más altas que el LET-A orientado hacia el sol.
2. Longitudes de Trayectoria Anómalamente Largas: Las longitudes de trayectoria de viaje calculadas fueron significativamente más largas que los valores nominales de la espiral de Parker. Para el primer evento, SO midió una longitud de trayectoria de $0.98 \pm 0.05$ AU (3.3x la nominal) y PSP midió $1.37 \pm 0.05$ AU (8.6x la nominal). El segundo evento mostró una longitud de trayectoria de $0.83 \pm 0.05$ AU en SO, que sigue siendo casi tres veces el valor nominal.
3. Secuencia de Llegada Temporal: A pesar de que PSP está más cerca del Sol (0.16 AU) que SO (0.3 AU), las SEPs llegaron primero a SO. Esta inversión temporal proporciona evidencia directa de una población de partículas dirigida hacia el Sol que viaja desde el heliosfera exterior hacia el interior.
4. Observación Remota de la Fuente y la CME: Los eventos se originaron en la AR 13615, asociada con jets de EUV y llamaradas bajas de clase C. Se identificó una CME lenta (velocidad $\approx 368$ km/s) originada en la misma región aproximadamente 48 horas antes de los eventos de SEPs como el agente de redirección probable.
5. Validación del Modelo: Un modelo que asume que las SEPs se inyectan en las líneas de campo que envuelven la parte frontal de la ICME produjo longitudes de trayectoria de 0.76–0.95 AU para SO y 0.94–1.1 AU para PSP. Aunque estos valores modelados son ligeramente más cortos que los observados, están en un acuerdo razonable y respaldan la hipótesis de que las partículas viajaron alrededor del limbo de la ICME.

Contribuciones Clave

• Primera Observación Multi-Espacial: Este trabajo presenta la primera observación simultánea y multi-espacial de SEPs ricos en $^3$He con flujo hacia el Sol.
• Mecanismo para la Elongación de la Longitud de Trayectoria: El estudio proporciona evidencia de que las ICMEs en el heliosfera interna pueden redireccionar las SEPs, causando que viajen a lo largo de líneas de campo magnético elongadas que envuelven la estructura de la ICME, en lugar de atribuir únicamente las largas longitudes de trayectoria al serpenteo de las líneas de campo.
• Explicación para la Distribución Amplia: Los autores proponen que la difusión de las SEPs a lo largo del frente ancho de una ICME lenta puede explicar los raros eventos de SEPs ricos en $^3$He de distribución amplia que abarcan grandes longitudes heliosféricas, independientemente de la propia asociación del evento de SEP con una CME.
• Implicaciones de la Población Semilla: La observación sugiere un mecanismo donde el material rico en $^3$He puede ser redireccionado de vuelta a la corona solar, potencialmente poblando la región con material semilla pre-acelerado para eventos de SEP graduales posteriores.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que estos hallazgos constituyen un mecanismo novedoso para comprender el transporte de SEPs ricos en $^3$He. Al demostrar que las SEPs pueden ser redireccionadas por una ICME lenta y preexistente, el artículo ofrece una explicación plausible tanto para las longitudes de trayectoria extremas como para el flujo contra-intuitivo hacia el Sol observado en estos eventos. El estudio destaca que tal redirección puede ser un suceso común durante el máximo solar, dada la alta frecuencia de ICMEs en el heliosfera interna. Además, el trabajo sugiere que la población "semilla" para los eventos de SEP graduales puede estar significativamente enriquecida por material rico en $^3$He remanente devuelto a la corona, un proceso que carecería de firmas remotas (como los jets de EUV) en el momento de la aceleración subsecuente. Los autores mantienen la modestia respecto a la frecuencia de este fenómeno, señalando que, si bien la hipótesis de la ICME se ajusta a los datos, no se detectaron firmas in situ de la ICME de forma definitiva, lo que implica que las naves espaciales podrían haber pasado justo de largo el núcleo de la ICME. Se requieren observaciones multi-espaciales futuras para refinar estas interpretaciones y determinar la prevalencia de este mecanismo de transporte.