El misterio de las antiguas supertormentas espaciales se profundiza

Cuando la red eléctrica de Hydro-Québec colapsó el 13 de marzo de 1989, el apagón sumió a todo Quebec (más de seis millones de personas) en la oscuridad durante varias horas. El evento fue provocado por una tormenta feroz, pero la tempestad no fue creada por la Tierra. En cambio, la fuente fue el sol: nuestra estrella más cercana había desatado un enjambre de partículas de alta energía y radiación que causó estragos en nuestra infraestructura tecnológica.

Sin embargo, ese evento no fue una casualidad, los científicos ahora lo saben. Tampoco era particularmente poderoso. Un análisis cuidadoso de la evidencia recopilada de los anillos de los árboles sugiere que barreras similares pero mucho más grandes han golpeado repetidamente la Tierra en un pasado relativamente reciente. Los investigadores han considerado durante mucho tiempo que la actividad a veces extrema de nuestra estrella es la culpable de estos eventos más grandes, pero un nuevo trabajo que incorpora conocimientos de la fisiología de los árboles y el ciclo del carbono de nuestro planeta desafía la idea de que las tormentas solares son responsables.

Este cambio de pensamiento comenzó hace aproximadamente una década, cuando Fusa Miyake, un físico de rayos cósmicos, comenzó a analizar la madera de los cedros de larga vida talados en la isla Yaku de Japón. Miyake, entonces estudiante de posgrado en la Universidad de Nagoya en Japón, estaba extrayendo meticulosamente celulosa rica en carbono de los anillos de los árboles, cada uno de los cuales normalmente registraba el crecimiento de un año completo en un lapso de menos de un milímetro. Su objetivo era medir la cantidad de carbono 14, un isótopo radiactivo de carbono comúnmente utilizado para fechar artefactos arqueológicos.

El carbono 14, también conocido como radiocarbono, se produce naturalmente en nuestro planeta cuando la radiación de alta energía y las partículas emitidas por el sol, otras estrellas y varios cataclismos cósmicos interactúan con los átomos en la atmósfera superior de la Tierra, sobre todo el nitrógeno. El radiocarbono también es un subproducto de la actividad humana: la concentración atmosférica del isótopo se duplicó durante el apogeo de las pruebas de armas atómicas de la época de la Guerra Fría a mediados del siglo XX, cuando EE. UU. y otras naciones detonaron cientos de bombas nucleares en la atmósfera.

El radiocarbono representa solo una fracción que se desvanece, aproximadamente una parte en un billón, del ciclo de carbono a través del aire, el agua y las rocas de nuestro planeta. Pero eso es más que suficiente para que se acumulen rastros detectables de la sustancia dentro de los árboles y otras plantas fotosintéticas, que la absorben del aire como dióxido de carbono mezclado con radioisótopos. Esto hace que los anillos de crecimiento anual de un árbol sean un registro año tras año de las condiciones ambientales locales y la química atmosférica prevaleciente, y permite a los científicos utilizar madera antigua y bien conservada para investigar muchos milenios atrás en el tiempo.

Desde la década de 1950, los investigadores saben que la concentración de radiocarbono en los anillos de los árboles varía con el tiempo. Pero hasta hace poco, se requerían cantidades relativamente grandes de celulosa para los análisis de radiocarbono, por lo que la mayoría de las mediciones se basaban en cinco o incluso diez años de anillos de árboles. Alertada por investigaciones anteriores que sugerían un aumento pronunciado en el carbono atmosférico 14 en algún momento a fines del siglo VIII, Miyake comenzó a examinar anillos de árboles individuales que datan de 750 a 820 EC. Ella usó una técnica sensible conocida como espectrometría de masas con acelerador para detectar cantidades diminutas de radiocarbono. , que esperaba arrojaría luz sobre cuándo y por qué tal evento podría haber ocurrido.

Muchas personas no vieron el sentido de ese trabajo, dice Jesper Olsen, físico de la Universidad de Aarhus en Dinamarca que no participó en la investigación. “Nadie realmente pensó que valía la pena”, dice.

Sin embargo, los esfuerzos de Miyake dieron sus frutos cuando los datos revelaron un aumento anormalmente grande en la concentración de carbono 14 precisamente en el año 775 CE. Ella y sus colegas informaron sobre el descubrimiento en Naturaleza en 2012. Desde entonces, los investigadores han descubierto «eventos de Miyake» adicionales en otros registros de anillos de árboles. Seis eventos, el más antiguo que data de 7176 a. C., han sido particularmente bien estudiados, y los eventos de Miyake se han utilizado para restringir el momento de varios acontecimientos históricos, como la llegada de los vikingos a las Américas. Pero los orígenes de los eventos de Miyake siguen siendo misteriosos. Además de un consenso general de que son causados ​​por algún proceso astrofísico, se han atribuido de manera variable a la actividad solar, las emisiones de una supernova cercana o una estrella de neutrones o incluso el encuentro cercano de la Tierra con un cometa.

Por lo general, se invocan enormes erupciones solares para explicar los eventos de Miyake, dice Tim Jull, geocientífico de la Universidad de Arizona, que no participó en la investigación. Tales efusiones de radiación electromagnética ocurren regularmente en el sol y, a menudo, se asocian con explosiones de partículas de alta energía. Pero este vínculo entre la actividad solar y el registro de radiocarbono fluctuante de la Tierra se ve borroso por el hecho de que nuestro sol también juega a la defensiva: su campo magnético ayuda a proteger a la Tierra de las partículas de alta energía que llegan desde más allá del sistema solar y potencialmente disminuye en lugar de aumentar la cantidad de radiocarbono producido a partir de fuentes cósmicas. Ese blindaje es particularmente pronunciado en el pico del ciclo solar de 11 años, cuando el campo magnético del sol es más fuerte.

Se sabe con certeza un hecho sobre los eventos de Miyake, dice Benjamin Pope, astrónomo de la Universidad de Queensland en Australia. “Son una detección de un enorme estallido de radiación que llega a la Tierra”, dice. Y esos estallidos superan el aluvión desatado en 1989 que paralizó la red eléctrica de Hydro-Québec, según saben ahora los investigadores. Pope y sus colegas analizaron recientemente los registros de radiocarbono de más de 60 árboles repartidos por cuatro continentes en busca de la naturaleza y el origen probable de estas señales misteriosas y preocupantes. Los equipos resultados sorprendentesque confunden la comprensión ya turbia de los eventos de Miyake, se publicaron a finales del año pasado en Actas de la Royal Society A.

Trace una serie de mediciones de radiocarbono en función del tiempo, y un evento de Miyake se parecerá mucho a un acantilado que es casi vertical en una cara pero mucho más inclinado gradualmente en la otra. La mayoría de los eventos de Miyake aumentan muy rápidamente, a menudo en el lapso de un solo anillo de árbol, y luego se desvanecen en 10 a 20 años. Pero ese desenlace no se debe a la descomposición radiactiva del isótopo, que ocurre a lo largo de milenios en lugar de décadas. En cambio, es el resultado del carbono de la Tierra, ya sea radiactivo o no, viajando continuamente a través del medio ambiente, dice Pope. “Se distribuye a través del ciclo del carbono”, agrega. Después de que se crea una explosión de radiocarbono en la atmósfera, finalmente se sepulta en los sedimentos en el fondo del océano.

Obtener una mejor comprensión del momento y la duración de los eventos de Miyake exigió una mejor contabilidad del movimiento del radiocarbono a través del ciclo global del carbono, se dieron cuenta Pope y sus colegas. Los investigadores recurrieron a los llamados modelos de caja de carbono, que consisten en sistemas de ecuaciones diferenciales que dictan cómo se difunde el carbono a través de la atmósfera, la biosfera, los océanos y otros depósitos en la Tierra. Todos esos modelos están tratando de responder una pregunta fundamental, dice Pope. “Si pones un poco de radiocarbono en la atmósfera, ¿adónde va y cuándo?”

Pope y su equipo comenzaron generando un conjunto de eventos de Miyake simulados, cada uno de los cuales difería ligeramente en su fecha de inicio, duración y fuerza. Luego alimentaron esos datos simulados a través de varios modelos de caja de carbono diferentes y compararon el resultado con mediciones de radiocarbono del mundo real obtenidas de anillos de árboles para converger en un conjunto de parámetros de mejor ajuste para cada evento de Miyake.

Según este análisis, la mayoría de los eventos de Miyake parecían ser consistentes con «picos» cortos y casi instantáneos de producción de radiocarbono. Sin embargo, dos eventos parecían prolongarse en el tiempo. Uno en particular, que ocurrió en el 663 a. C., duró aproximadamente tres años, concluyeron los investigadores. Eso es desconcertante, dice Pope, porque las erupciones solares, las eyecciones de masa coronal y otras erupciones del sol suelen durar solo unos pocos días o semanas. Presumiblemente, un estallido relativamente corto de partículas de alta energía sería capturado en un solo anillo de árbol, que se ensambla en el transcurso de un año, dice. Entonces, encontrar evidencia de una señal de varios años es bastante confuso. “Dios sabe lo que está pasando”, bromea Pope.

Pero tal vez haya una explicación que no implique renunciar a los rápidos estallidos del sol, dice Tamitha Skov, heliofísica de la Universidad de Millersville, que no participó en la investigación. La respuesta podría estar en las complejidades del campo magnético de la Tierra, dice ella. Las partículas de alta energía pueden quedar atrapadas allí, a miles de kilómetros por encima de la mayor parte de la atmósfera, lo suficientemente alto como para tardar varios años en deslizarse hacia abajo y formar radiocarbono. Eso podría explicar por qué algunos eventos de Miyake parecen tan extensos en el tiempo, dice Skov. Quizás “algunos de estos eventos de mayor duración podrían ser una fuente de menor duración”, dice.

Otra explicación para los eventos prolongados de Miyake podría ser simplemente la fisiología del árbol, dice Jull. Cuando los árboles comienzan a crecer en la primavera, en algunos casos dependen de los nutrientes que ya están almacenados dentro de sus células, dice. Eso podría causar que un evento aparentemente de corta duración, como un pulso de radiocarbono, parezca manchado con el tiempo cuando uno mira los anillos de los árboles. “Hay cierta mezcla entre la señal nueva y la señal antigua”, dice Jull.

Por supuesto, siempre existe la posibilidad de que los eventos de varios años de Miyake se extiendan realmente en el tiempo, reconocen Pope y sus colegas. En 2020, otro equipo de investigadores, incluido Fusa Miyake, propuso que una secuencia de erupciones solares que ocurren repetidamente durante varios años podría ser responsable.

Pope y su equipo también estaban interesados ​​en el momento preciso de los eventos de Miyake en relación con el ciclo solar. Las erupciones solares tienden a ser aproximadamente cuatro veces más probables de ocurrir alrededor del máximo solar que alrededor del mínimo solar, según han demostrado los investigadores, por lo que tendría sentido que los eventos de Miyake se agrupen alrededor del pico del ciclo solar, dice Pope. “Lo que esperaba hacer era decir que todo esto ocurrió en el máximo solar”, agrega. Pero el equipo descubrió, en cambio, que ninguno de los eventos se sincronizó con el pico del ciclo solar.

Sin embargo, otros investigadores siguen apostando a que los eventos de Miyake están relacionados con el sol. “No me sorprende en absoluto que no se alineen con el pico del ciclo solar”, dice Dolores Knipp, geofísica de la Universidad de Colorado Boulder, que no participó en la investigación. Después de todo, señala, el sol es perfectamente capaz de lanzar partículas de alta energía hacia la Tierra en momentos distintos al máximo solar. «Sabemos que la mayoría de las eyecciones de masa coronal que llegan a la Tierra, que suelen ser los principales impulsores de los eventos de partículas energéticas solares, tienden a aparecer más allá del pico del ciclo solar», dice Knipp.

Otra idea es que los eventos de Miyake tienen algo que ver con un ciclo solar más débil que el promedio, según la hipótesis de Pope y sus colegas. Los científicos han detectado un aumento de una década en el radiocarbono en los anillos de los árboles que datan de alrededor del 5480 a. C. Aunque normalmente no se considera un evento de Miyake, esa señal podría haber sido causada por un período de actividad solar extremadamente débil. otros investigadores han propuesto. El campo magnético del sol, más débil que el promedio, habría permitido que más partículas de alta energía del espacio interestelar llegaran a la Tierra durante ese tiempo.

Los anillos de los árboles tampoco son el único lugar para buscar respuestas sobre los eventos de Miyake. algunos investigadores han recurrido a registros de núcleos de hielo para buscar berilio 10 y cloro 36, dos isótopos que, como el radiocarbono, se producen en la atmósfera por fenómenos de alta energía. Andrew Smith, físico de la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear, estudia dichos isótopos en núcleos de hielo antárticos. Perforados desde las profundidades de un glaciar o capa de hielo, unas pocas decenas de centímetros de estos núcleos de hielo pueden capturar un año del pasado, ofreciendo a los investigadores más material con el que trabajar para precisar el momento de los eventos antiguos. Esto permite mediciones en escalas de tiempo de meses, en comparación con la resolución temporal anual de los anillos de los árboles. Smith y sus colegas actualmente están analizando datos de sus núcleos de hielo teniendo en cuenta los eventos de Miyake.

Los eventos de Miyake y sus orígenes siguen siendo misteriosos, y podrían permanecer así hasta que finalmente se registre uno con instrumentos científicos. Pero tal vez ese no sea un futuro que debamos desear, dice Pope. Después de todo, un aluvión cósmico lo suficientemente intenso como para aparecer en los anillos de los árboles probablemente sería desastroso para los miles de satélites que rodean el planeta. Sus componentes electrónicos sensibles estarían esencialmente fritos, dice Pope, y eso podría tener un efecto dominó en las esferas de la navegación y la comunicación, tecnologías que damos por sentadas en la sociedad moderna. Si, o cuando, ocurra el próximo evento de Miyake, dice, «buena suerte a las telecomunicaciones».