Evolutionary tracks of quiet-sun magnetic features

Resumen

Esta tesis presenta un estudio de estructuras magnéticas fotosféricas del Sol en calma. Los campos magnéticos del Sol en calma se organizan a pequeñas escalas, evolucionan rápidamente y producen débiles señales de polarización. Estas propiedades físicas exigen medidas de la mayor resolución espacial y temporal posible junto con altas sensibilidad y precisión polarimétricas. Estas limitaciones instrumentales han causado que el origen y evolución de estas pequeñas estructuras permanezca aún relativamente desconocido. IMaX (siglas de Imaging Magnetograph eXperiment o imaginador magnetográfico experimental) es un espectropolarímetro con imagen que voló sobre el círculo polar ártico a bordo del globo estratosférico Sunrise. IMaX se diseñó para aliviar los problemas anteriores y ha proporcionado observaciones con la inédita resolución espacial de unos cien kilómetros. Al volar en la estratosfera, obtuvo series temporales de imágenes virtualmente libres del seeing que cubrían vastas zonas del Sol. Estas características son de verdad cruciales para estudiar la naturaleza altamente dinámica del magnetismo del Sol en calma. La tesis reúne pruebas empíricas sobre la magnetoconvección a las escalas más pequeñas jamás observadas. Presentamos trazas evolutivas de diversas estructuras magnéticas del Sol en calma que se encuentran en continua interacción con la convección fotosférica. Específicamente, estudiamos 1) la formación y evolución de un elemento magnético aislado; 2) la dinámica de estructuras magnéticas multinúcleo; y 3) la relación entre estructuras magnéticas y sumideros persistentes sostenidos por la convección en las uniones de varias células mesogranulares. Vista a la escala de unos cien kilómetros, la evolución de la estructura magnética aislada se contempla como un proceso complicado en el que intervienen muchos fenómenos. Su formación comienza cuando un pequeño bucle magnético emerge a la fotosfera en una zona de flujo ascendente granular. Sus pies son barridos rápidamente hacia las líneas intergranulares cercanas donde se encuentran previamente algunas otras estructuras de polaridad positiva. El pie negativo se cancela con una estructura positiva mientras que los flujos convectivos granulares desplazan el positivo y otros remanentes hacia un sumidero persistente. Sus campos magnéticos se aglutinan en el sumidero dando forma a un nuevo elemento cuya intensidad de campo se encuentra en valores de equipartición con la densidad de energía cinética de los movimientos convectivos. El flujo descendente intergranular empieza entonces a incrementarse en la estructura magnética, a la vez que los gránulos circundantes la comprimen hasta que alcanza intensidades de kilogauss. Durante este proceso, aparece un punto brillante en el borde de la concentración de flujo casi coespacial con una pluma de flujo ascendente. El desarrollo del elemento magnético no se detiene ahí sino que resulta ser inestable. De hecho, muestra un comportamiento oscilatorio ya que su intensidad magnética decae y se refuerza con el tiempo. Si nos centramos en estructuras magnéticas extendidas que albergan varios puntos brillantes en su interior, encontramos que son resolubles en varios núcleos magnéticos más elementales, cada uno de los cuales se encuentra relacionado con un punto brillante. Los núcleos más internos son intensos y verticales. Están rodeados por un conjunto de campos magnéticos más débiles e inclinados. Nosotros interpretamos esas estructuras como ramilletes de concentraciones de flujo en la baja fotosfera que se expanden con la altura hasta mezclarse en una única marquesina común en las capas fotosféricas altas. Los flujos convectivos granulares locales gobiernan la evolución de los núcleos magnéticos individuales. Mediante tal interacción, los núcleos se intensifican, se fragmentan y se funden de la misma manera que otras observaciones fotométricas informan que hacen las cadenas de puntos brillantes. Tal comportamiento evolutivo se traduce en oscilaciones de campo de la estructura global. Nosotros concluimos que tales oscilaciones -previamente descubiertas en pequeños elementos magnéticos del Sol en calma- obedecen más a la presión de los movimientos granulares que a modos oscilatorios propios de tubos delgados de flujo magnético. Finalmente, analizamos la relación entre flujos mesogranulares, flujos descendentes localizados y campos magnéticos del Sol en calma. Comenzamos por un estudio estadístico de los sumideros. Algunos se muestran como remolinos mientras que otros despliegan flujos radialmente convergentes. Su distribución espacial los sitúa en los vértices de mesogránulos vecinos. Demostramos cuantitativamente que los campos más intensos tienden a concentrase en los sumideros. Por el contrario, los bucles magnéticos a pequeña escala no muestran distribución preferente alguna a escalas mesogranulares. Así mismo, analizamos en detalle uno de los mesogránulos y descubrimos que los bucles magnéticos que aparecen en el seno de su celda mesogranular pueden ser arrastrados por los flujos hacia uno de los vértices. Si nuestras observaciones se confirman, estos resultados pueden implicar que la formación de elementos magnéticos a través de la concentración de pies de bucles en vértices mesogranulares es ubicua en la superficie solar.