Foto de Patrick Antolin

Patrick Antolin, el uniandino detrás del esclarecimiento de un enigma solar

En septiembre de 2020 la revista científica Nature Astronomy publicó el hallazgo de un equipo de científicos encabezado por este astrofísico colombofrancés que, hasta el momento, plantea la hipótesis más fuerte para resolver el misterio de por qué la corona solar, a pesar de ser la capa externa, es mucho más caliente que la superficie del sol.

Por Laura Natalia Gómez Londoño

Desde pequeño, Patrick Antolin ha vivido orbitando el mundo y estudiando las estrellas. No solo disfruta mirándolas por fuera, sino que entra en ellas para explorar a fondo los misterios que esconde el universo.

Ese gusto nació cuando se deslumbró con la hidrodinámica; la rama de la hidráulica que estudia el movimiento de los fluidos se le hacía mágica, el agua parecía salir de las páginas de Le mur du silence para marcar su camino; así este cómic de ciencia del astrofísico Jean-Pierre Petit le dio las primeras pistas para hacer una carrera que lo llevaría a hacer un aporte significativo para develar una de las mayores incógnitas de las estrellas, y en particular de nuestro sol: el enigma del calentamiento de la corona solar, que podría traducirse en que, aunque sea contradictorio, si estuviéramos alrededor de una fogata, sentiríamos más calor al alejarnos de las llamas.

Tras cuatro años de investigación, él y su equipo descubrieron un fenómeno llamado nanojets que explicaría por qué la temperatura alrededor del sol es entre 200 y 500 veces mayor que la de la superficie del astro. Este hallazgo le da sustento a la teoría formulada por el astrofísico Eugene Parker acerca de que este misterio se produce por un mecanismo fundamental de los gases magnetizados llamado reconexión magnética.

Proyecto de divulgación científica de la Vicerrectoría de UniandesLa trayectoria de Patrick ha sido la de un cometa nómada: su madre es colombiana y su padre francés; de ella aprendió las expresiones bogotanas que lo hacen hablar como si fuera rolo, y de él heredó el marcado acento extranjero con que pronuncia su español. Nació en Senegal y de niño y adolescente vivió en diferentes países de África, América Central y América del Sur, se graduó del colegio en Roma y en ese momento decidió tomar su propio camino y venir a Colombia.

Lo hizo porque siente una conexión magnética con el país; quería conocer y vivir ese lugar donde estaba gran parte de su familia y de su infancia, pero también para cursar sus estudios de pregrado en Física y Matemáticas en la Universidad de los Andes.

Ese encuentro inicial se dio por el lado de las ciencias, pero, luego, tuvo otro ingrediente: “Cuando me fui de Colombia y estudié en otras universidades, me di cuenta de la excelente calidad en la educación que obtuve, y además que Los Andes es la más bonita de todas” cuenta.

También resalta la posibilidad que le dio la universidad de armar su plan de estudios, pues tener materias electivas en campos diferentes a la física y las matemáticas no solo era un descanso para la mente, sino un complemento para su vida; fue así como empezó a estudiar japonés, un pasatiempo que le abrió las puertas a un país que se destaca por sus investigaciones sobre la física solar, campo en el que ha desarrollado su carrera.

Equilibrar dos pregrados en ciencias mientras se estudia una lengua oriental parecía tan complejo como una misión espacial, pero Patrick recuerda que su vida era como la de otro estudiante: “Work hard and play hard, esa es la clave, el día a día era rebuscar libros en la biblioteca, mantener curiosidad por un tema y compartir con mis amigos en La Pola; es algo que no se podía dejar pasar”.

Las bibliotecas de Uniandes, de hecho, fueron su espacio habitual en aquel entonces y jugaron un papel clave en una época en que gran parte de la información no estaba disponible en Internet.

“El aprendizaje depende del ambiente que nos rodea. No es lo mismo leer un libro frente al computador que en una biblioteca o afuera al lado de un árbol. En una biblioteca el tiempo se detiene y lo que uno lee reverbera entre las paredes”.

De los libros de Los Andes saltó a Kioto, en Japón, pues se ganó una beca ofrecida por el Gobierno de ese país para estudiar su maestría y doctorado, y tuvo la posibilidad de hacer doble doctorado en Oslo (Noruega); después, en el difícil mundo de los posdoctorados en el cual se busca un balance entre la investigación y la construcción de una familia, viajó a Bélgica y regresó al país asiático, pero esta vez a Tokio, movido por lo que él describe como “el problema de los dos cuerpos” —dos puntos que orbitan alrededor de un centro, pero no se encuentran—, y que él aplicaba en su vida en ese momento, pues su novia vivía en Japón.

Ya superado el problema de los dos cuerpos Patrick se casó y ahora vive en el Reino Unido con su esposa y su hijo. Obtuvo la beca STFC Ernest Rutherford, una de las más prestigiosas del país, y una plaza de profesor de planta en la Universidad de Northumbria en Newcastle, y así ha podido dedicarse no solo a la investigación del problema de la corona solar, sino a la enseñanza y a explorar muchos otros fenómenos que se dan en diversas partes del universo, pues lo que se aprende en el sol puede extrapolarse a otras estrellas y cuerpos celestes.

“Algo único de la física solar es que los datos están disponibles en todo el mundo y son de libre acceso —señala Patrick para indicar que investigaciones como la suya podrían desarrollarse en cualquier país—; quizás lo más delicado sería hacer los modelos numéricos, simulaciones que requieren supercomputadores, pero eso no es un obstáculo para hacer física solar de vanguardia en Colombia”.

A su juicio, el país necesita, sobre todo, oportunidades para investigar, pues, aunque en muchas partes del mundo la enseñanza es un factor primordial, a veces se le da demasiado peso; al crear o aumentar los espacios y los fondos se podría atraer a personas nacionales o extranjeras para que hagan ciencia.

“El escape de cerebros es uno de los problemas de Colombia para la investigación y el desarrollo de la ciencia”.

El vínculo con Los Andes está marcado por su experiencia positiva como estudiante y por muchos compañeros y profesores; con varios de ellos ha mantenido contacto y no han faltado oportunidades para regresar a la Universidad como ponente o participante de algún seminario, espacios que considera fundamentales para incentivar a la gente joven.

Patrick Antolin continúa su camino por las órbitas del universo guiado por su intuición y manteniendo una visión general de las cosas para conectar su conocimiento con otros campos y así seguir adentrándose en las estrellas y en los misterios del universo.

El enigma del calentamiento de la corona solar

El problema del calentamiento solar es uno de los más grandes misterios de la astrofísica durante los últimos 80 años. El destacado científico Eugene Parker, quien inspiró el nombre de la Sonda Solar Parker, planteó la teoría que se basa en el campo magnético, insumo fundamental para que Patrick Antolin desarrollara una nueva hipótesis que nos acerca a resolver el enigma, en el que las misiones aeroespaciales como IRIS de la NASA juegan un papel clave.

¿Qué es la corona solar?

Es la capa externa de la atmósfera solar que generalmente está oculta por el brillo de la luz del disco solar.

Durante un eclipse, la luna oculta al sol y es posible ver esa capa externa de la atmósfera solar que es mucho más tenue y menos intensa y tiene forma de corona.

Foto de un eclipse
Créditos: Predictive Science Inc./Miloslav Druckmüller, Peter Aniol, Shadia Habbal/NASA Goddard, Joy Ng

¿Qué es el misterio del calentamiento de la corona solar?

La corona solar se conoce desde hace cientos de años, pero solo hacia la década del 40 del siglo XX, gracias al estudio espectroscópico de líneas de emisión de átomos, se descubrió que es más caliente que la superficie del sol, a pesar de ser la capa externa y encontrarse alejada de la fuente de energía. Mientras la fotosfera está a 6.000 grados centígrados, la corona puede alcanzar temperaturas de millones de grados.

¿Cómo afecta el problema del calentamiento solar al planeta Tierra?

La Tierra está dentro de la corona solar que, en algunos períodos, emite muchas más partículas que en otros. Este fenómeno se denomina viento solar y sus radiaciones afectan todo lo que sucede en el espacio, por ejemplo, las comunicaciones, el envío de satélites o misiones, los aviones que pasan por los polos e inclusive los sistemas eléctricos —ha habido tormentas solares tan fuertes que han dejado sin electricidad ciudades enteras—.

La Tierra cuenta con un escudo magnético llamado magnetosfera que nos protege de la radiación producida por el viento solar, pero es insuficiente y de ahí la necesidad de estudiar la actividad de ese viento.

“La tierra es como una cometa o un barco a merced del viento solar y las corrientes que este produce”.

¿Por qué el problema del calentamiento solar lleva tantos años sin ser resuelto?

La clave del misterio está en que la energía que hay en el campo magnético del sol se transforma en calor cuando va emergiendo de su interior y forma el viento solar. Una de las principales dificultades para resolver el enigma consiste en que los humanos no estamos acostumbrados al campo magnético y carecemos de la intuición para entender cómo este influencia la trayectoria de las partículas.

Otro aspecto importante es que la corona solar es un gas muy tenue, su densidad es menor que la densidad del mejor vacío que se logra obtener en un laboratorio terrestre. Eso hace sumamente complejo el problema de la difusión del campo magnético para transformarlo en calor.

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¿Cuál es el aporte de Patrick a la resolución de ese enigma?

Es un avance teórico que contiene aplicaciones indirectas para entender los aspectos fundamentales de la dinámica de los plasmas (el gas magnetizado que conforma la materia visible del universo). Lo que se investigó es un proceso de reconexión magnética —concepto en parte desarrollado por el astrofísico Eugene Parker en los años 80 del siglo XX— lo que ayuda a saber cómo el campo magnético puede transferir su energía al plasma.

El campo magnético se puede visualizar como un conjunto de cuerdas tensas y en constante movimiento que tienen un punto de anclaje en el sol, de donde salen como un imán y cubren toda su superficie y el volumen alrededor del sol. Los gránulos que abundan en esa superficie hacen que las líneas se tuerzan y se enreden.

Según Parker, en algún momento, debido a ese movimiento, las líneas se rompen porque tienen demasiada energía y en ese proceso de ruptura o reconexión magnética se libera energía, pero es tan pequeña que es muy difícil de observar; ese destello de luz que se produce equivale a lo que Parker denominó una nanofulguración.

 

Esquema cortesía de Patrick Antolin
En el video se muestra la interpretación física del nanojet. La estructura en forma de bucle que se ve en la figura 1 está esbozada en el panel a. Las líneas del campo magnético se juntan (curvas verde y rosa) formando pequeños ángulos de desalineación (panel b). La reconexión ocurre entre un par de líneas verde-rosa (panel c). El plasma calentado se desplaza transversalmente a la dirección general del campo (panel d). Este movimiento del plasma, transversal, rápido y en ráfagas, se ve como un nanojet.

 

La investigación de Patrick Antolin y su equipo da soporte a las nanofulguraciones enunciadas por Parker. Trabajando desde Escocia, Inglaterra, Estados Unidos e Italia, los cinco científicos observaron que la estructura coronal —conjunto de líneas del campo magnético con forma de bucle— al principio estaba fría, pero en un intervalo de 10 minutos se calentó —pasó de 60.000 a millones de grados—. Dentro de ella hallaron los nanojets, cada uno de los cuales estaba acompañado de una nanofulguración. Los hallazgos fueron modelados en supercomputadores a través de simulaciones numéricas para así dar soporte a la interpretación.

Aunque estos resultados demuestran que la teoría de Parker es plausible, se requieren más observaciones para establecer qué tan frecuentes son los nanojets y así extrapolar el resultado para resolver del todo el problema del calentamiento de la corona solar. En ese propósito deberán tener en cuenta que esta corona es muy heterogénea, razón por la cual es posible que los nanojets y la reconexión magnética sean el mecanismo de calentamiento solo para ciertas regiones del sol, como por ejemplo las regiones activas.

Para esta nueva etapa, necesitan instrumentos de nueva generación, con mayor resolución y sensibilidad. Ya está en curso la misión Solar Orbiter de la Agencia Espacial Europea que podría aportar imágenes para acabar de resolver el enigma.