Extraterrestrial lights: the impressive spectacle of the Solar System's auroras

aurora saturno

Bajo ciertas condiciones, los cielos en las regiones polares de la Tierra se inundan de fascinantes colores. Las auroras son procesos que involucran la interacción entre partículas cargadas y gases en las capas altas de la atmósfera. Sin embargo, este es un fenómeno que no es exclusivo de este planeta, sino que se ha observado en todos los rincones del sistema solar, desde los gigantes gaseosos hasta pequeñas lunas.

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Fotografía del lado nocturno de la luna Ío por la sonda Galileo. Esta fue capturada cuando durante un eclipse por la sombra de Júpiter, permitiendo observar luz visible emitida por gases a gran altura del satélite. Créditos: NASA/JPL/University of Arizona.

Tormenta geomagnética

En la atmósfera del Sol se producen esporádicamente eyecciones de masa coronal y llamaradas solares, donde grandes cantidades de plasma son disparadas a gran velocidad a todo el sistema solar. Por lo general, este material alcanzará la heliosfera sin prácticamente percibir otros objetos, pero una pequeña parte puede tener la orientación correcta para interactuar con el campo magnético terrestre.

Las partículas cargadas, en su intento por continuar en su trayectoria, son desviadas por la magnetosfera. Dependiendo de la magnitud del evento solar, es posible que una fracción del material logre atravesar y sea atrapado por el campo magnético, donde es acelerado en espiral hasta las regiones polares.

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La aurora boreal es un fenómeno increíble por su belleza. Sus fotos casi siempre provocan polémica sobre el posible uso de Photoshop debido a las vivas mezclas de colores en el cielo nocturno.

La atmósfera va disminuyendo su densidad con la altura, por lo tanto, entre más se acerquen las partículas al planeta, existe una mayor probabilidad de un choque con alguna molécula. Y en dado caso la energía es suficiente para romper los enlaces químicos, expulsar los electrones y emitir luz en el espectro visible.

Gigantes gaseosos

Si bien las auroras terrestres fueron las primeras en ser observadas, la reciente era espacial permitió explorar otras regiones del sistema solar y sondas como las Voyager, Cassini o Galileo retornaron fascinantes imágenes de los gigantes gaseosos.

El campo magnético de Júpiter es, después del Sol, el más grande de todo el sistema solar, es capaz de acelerar partículas cargadas a grandes velocidades, creando un intenso cinturón de radiación a su alrededor. Parte del material es dirigido a las regiones polares, produciendo masivas auroras boreales con brillo en infrarrojo, visible y ultravioleta. La presencia de las luces polares es permanente e independiente de la actividad solar.

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Comparación de escala entre las auroras de Júpiter y la Tierra. Créditos: Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/UVS/STScI/MODIS/WIC/IMAGE/ULiège.
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Diagrama de las partes de las auroras de Júpiter. Fuera de los óvalos, destacan los “spots”, producidos por la interacción entre el plasma y las lunas Ío, Europa y Ganímedes.
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Fotografía de una aurora en Júpiter en infrarrojo por el instrumento JIRAM de la sonda Juno. Créditos: Alessandro Mura.

Similar a la Tierra, Saturno produce sus auroras gracias al viento solar, desplegando extensos desfiles de luz situados a decenas de kilómetros sobre la atmósfera. Sin embargo, la diferencia radica en que estas son visibles únicamente en longitudes de onda del ultravioleta. Fueron observadas por primera vez en 1979 por la sonda Pioneer 11.

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Fotografía de Saturno donde se aprecian auroras, los anillos de perfil, la luna Titán (izquierda) y su respectiva sombra en el polo norte del planeta. Créditos: NASA / ESA / Jonathan Nichols
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Fotografía capturada por el Telescopio Espacial Hubble en ultravioleta de las auroras de Saturno,

Atmósfera volcánica

Ío es la luna galileana más cercana al planeta y el cuerpo más activo geológicamente del sistema solar. Su superficie es moldeada por los cientos de volcanes que muestran constantes erupciones. Las eyecciones de material son la principal fuente de partículas para las permanentes auroras de Júpiter.

Los gases expulsados por los volcanes de Ío interactúan con las partículas atrapadas en el intenso campo magnético de Júpiter, generando auroras no solo en el planeta sino también en la luna.

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Fotografía del lado nocturno de la luna Ío por la sonda Galileo. Esta fue capturada cuando durante un eclipse por la sombra de Júpiter, permitiendo observar luz visible emitida por gases a gran altura del satélite. Créditos: NASA/JPL/University of Arizona.

Gigantes helados

En la Tierra, el viento solar interactúa con átomos de oxígeno y nitrógeno, otorgando tonalidades verdes y amarillas o azules y rojas, respectivamente. Sin embargo, en Urano la composición es diferente, donde los gases dominantes son el hidrógeno y el helio, provocando auroras en ultravioleta e infrarrojo. Mientras la primera fue observada por la sonda Voyager 2, la segunda fue apenas confirmada en 2023 gracias a datos del telescopio Keck II.

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Impresión artística de la aurora infrarroja del planeta Urano sobrepuesta a una fotografía por el Telescopio Espacial Hubble. Créditos: NASA/ESA/M. Showalter (SETI Institute).
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Fotografías del Telescopio Espacial Hubble en el ultravioleta revelan auroras en Urano.
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Diagrama de la evolución del campo magnético de Urano, la flecha amarilla muestra el eje de rotación del planeta y la flecha azul la dirección del eje del campo magnético.

La gran separación entre el sol y Neptuno supone un fuerte decaimiento en la principal fuente de partículas que pueden alimentar las auroras. Los anillos de planeta funcionan como una aspiradora, limitando la cantidad de material atrapado por la magnetosfera y la aparición de las luces polares. Por esta razón, hasta la fecha no se tienen observaciones directas y contundentes de este fenómeno.

Sin embargo, la Voyager 2 en su sobrevuelo a Neptuno, detectó emisiones de radio en frecuencias específicas, propias de partículas cargadas acelerándose bajo un campo magnético.  Así como una única señal intensa, aunque no es posible determinar correctamente si corresponde a una aurora.

Marte: lluvia de protones

Marte es un planeta comúnmente asociado con la Tierra, sin embargo, este carece de campo magnético y una atmósfera densa. Estas características provocan procesos diferentes en ambos mundos, tales como los mecanismos de formación de auroras.

Durante mucho tiempo se pensó que en Marte no se creaban auroras. Al menos hasta 2021 cuando la sonda Hope de los Emiratos Árabes observó, en el ultravioleta, un tenue resplandor que ilumina el cielo nocturno. Contrario a la Tierra, en el planeta rojo las luces polares no ocurren en los polos, sino que se distribuyen por todo Marte, especialmente cerca al ecuador.

Hasta la fecha se conocen tres tipos de auroras de Marte, la primera y más común es la difusa, provocada por el viento solar sobre la tenue atmósfera. La segunda es llamada discreta, responde a ligeras perturbaciones de partículas por perturbaciones magnéticas de minerales en la superficie. Y la tercera, es causada por colisiones entre el viento solar y el hidrógeno, provocando una lluvia de protones.

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Fotografías de Marte en los filtros de Lyman Alfa y Beta del hidrógeno por la sonda emiratí Hope. La segunda y tercera muestran auroras de protones.
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Observaciones de auroras discretas por la sonda Hope de los Emiratos Árabes.

Mercurio: bombardeo solar

Mercurio, el planeta más cercano al Sol, cuenta con un campo magnético cien veces más débil que el de la Tierra. Durante el sobrevuelo de la sonda BepiColombo fue posible estudiar los electrones y iones en las inmediaciones, encontrando que estos eran acelerados.

Posteriores análisis determinaron que este proceso se debía a una interacción entre el viento solar y la exosfera y campo magnético de Mercurio, arrastrando electrones al lado nocturno del planeta, inyectándolos a líneas cerradas de campos y generando auroras de Rayos X.

El mecanismo que genera las auroras puede ser universal en todo el sistema solar
Representación artística de la misión BepiColombo de la ESA/JAXA volando a través de electrones precipitantes que pueden desencadenar auroras de rayos X en la superficie de Mercurio. / Creative Commons 4.0 (CC BY-SA 4.0) Thibaut Roger/Europlanet
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Diagrama del sobrevuelo de BepiColombo y las auroras en Mercurio.

Venus: auroras difusas

Venus cuenta con una densa atmósfera, más que la de la Tierra, pero carece de un campo magnético. Si bien se pensaba que no sería posible la formación de auroras, la sonda Pioneer Venus Orbiter observó en repetidas ocasiones estas luces en el planeta.

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Fotografías de Venus con brillo invertido en el ultravioleta por la sonda Pioneer Venus Orbiter a lo largo de varias órbitas.

Al estudiar a Venus en el ultravioleta es posible detectar grandes destellos en la atmósfera, al comparar sus apariciones con otros fenómenos se encuentra que estos tienen una correlación con grandes flujos inusuales de partículas. Acelerador por el propio campo magnético del Sol, el plasma colisiona contra el oxígeno entre los 140 y 190 kilómetros de altura para dar paso a las auroras.

Francisco Andrés Forero Daza