¿Es realmente el Sol anómalamente inactivo?

El pasado 1 de Mayo se publicó en la revista Science un artículo de investigación que ha tenido gran repercusión mediática. El trabajo está liderado por investigadores del Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar de Gotinga (Alemania) y lleva el impactante, aunque en mi opinión poco afortunado, título de "el Sol es menos activo que otras estrellas de tipo solar"[1], una afirmación categórica que parece dar un puñetazo sobre la mesa de un viejo debate astrofísico. ¿Cómo de activo es el Sol comparado con otras estrellas similares? El asunto es más complejo de lo que parece porque, con nuestra tecnología actual, es muy difícil observar la actividad de otras estrellas. Normalmente solo podemos detectarla en estrellas que son muy activas, mucho más que el Sol, por lo que nuestra muestra observacional está muy sesgada. En mi opinión, el trabajo del equipo del Max Planck es muy bueno e interesante pero la conclusión que sacan en la nota de prensa[2] y el propio título del artículo no son correctos, como argumentaré más abajo.

Si realmente el Sol es anómalamente poco activo (o anómalo en cualquier sentido), esto podría tener importantes derivadas. Por ejemplo, tendría implicaciones sobre los fundamentos de la astrobiología y el principio copernicano. Actualmente, la idea mayoritaria entre los astrofísicos es que no hay nada particularmente especial en la Tierra y su entorno espacial. Por tanto, es probable que existan cientos de millones, quizá más, de planetas con condiciones similares, propicios para la vida, esparcidos por toda la galaxia. En los próximos años estaremos en disposición de buscar biomarcadores en las atmósferas de los exoplanetas. Si realmente la vida es tan abundante como pensamos, podemos ser optimistas respecto a la posibilidad de descubrir vida extraterrestre en un futuro cercano.

Sin embargo, hay autores que sostienen una visión opuesta y afirman que la Tierra es un lugar único en el que se da una inusual combinación de circunstancias excepcionales y necesarias para la vida, como una luna grande, un campo magnético o un gigante gaseoso (Júpiter) que hace de escudo protector. A esta idea se la conoce como "hipótesis de la Tierra rara", por el libro de Ward y Browniee que se publicó en 2000[3]. Un sol anómalo apoyaría esta visión de coincidencia cósmica. 

El trabajo publicado en Science por el grupo alemán hace uso de datos de las misiones espaciales Kepler y GAIA para comparar el Sol con otras estrellas de tipo solar. Para ello hacen una criba muy exahustiva con la que seleccionan un estrecho rango de parámetros. Los parámetros con los que se caracteriza una estrella en su secuencia principal (la "fase adulta" de su vida) son: temperatura, gravedad superficial (o sea, tamaño), metalicidad (o sea, composición química), velocidad de rotación y edad. En principio, si conocemos esos cinco parámetros, lo sabemos todo de la estrella. O, dicho de otra forma, dos estrellas que tengan esos cinco parámetros iguales, deberían ser idénticas. Esa es la teoría aunque, como veremos más abajo, la realidad es más complicada.

Entre las más de cien mil estrellas observadas por Kepler, los autores seleccionan aquellas que estén bien medidas también por GAIA para poder determinar su edad. Con toda esta información seleccionan un subconjunto de estrellas con temperatura, tamaño y edad muy parecidos a los del Sol. Con la composición química son un poco más flexibles puesto que la actividad estelar no varía demasiado con este parámetro. 

Representación de la superficie del Sol (arriba) y una estrella del campo de Kepler (abajo) con manchas sobre su superficie. Al rotar las manchas van entrando y saliendo del disco, produciendo variaciones periódicas en el brillo total que observamos.

Ahora bien, para terminar de afinar el análisis, se necesitaría la velocidad de rotación, máxime sabiendo que existe una relación, la llamada "ley de Skumanich"[4], que nos dice que cuanto más rápido rota una estrella más fuerte es su actividad magnética. El Sol gira sobre sí mismo cada 24.5 días pero ¿cómo podemos saber cómo rota una estrella cuando lo único que vemos es un punto de luz? Una forma es viendo cómo varía el brillo de la estrella según las manchas entran y salen del disco visible al rotar. Estas manchas, como las manchas solares, son producidas por la actividad magnética. Por tanto, para poder ver esta variación del brillo estelar necesitaremos que tenga manchas suficientemente grandes. ¿Cuánto de grandes? Bueno, pues aquí está parte de la clave del asunto. Los propios autores reconocen en su paper que, si el Sol estuviera a la distancia de otras estrellas, probablemente no seríamos capaces de ver su rotación porque sus manchas no son suficientemente grandes o numerosas. Las variaciones de brillo del Sol debidas a su actividad son, como mucho, del 0.3%. 

Esta selección les lleva a quedarse con 2,529 estrellas como el Sol pero con periodos de rotación desconocidos y solamente 369 estrellas cuya rotación es conocida y similar a la solar (entre 20 y 30 días). Y atención, que aquí es donde viene el truco. Como no pueden determinar la rotación de las otras 2,529 estrellas, lo que hacen es comparar el Sol con las 369 cuya rotación sí es conocida y les sale que es menos activa. Pero esta no es una comparación válida porque ya hemos visto que solo las estrellas que son muy fuertemente activas (más activas que el Sol) van a tener un periodo de rotación medible. Es decir, la conclusión a la que llegan es que, cuando comparas el Sol con estrellas que son más activas que él, te sale que el Sol es poco activo. Esto es como decir que si comparas a un niño con los que son más altos que él te va a salir que es bajito. Tautología. Los autores ponen esta gráfica en su paper:

Histograma del paper. Línea negra: Muestra completa (2,989 estrellas). Línea azul: Estrellas con periodo de rotación conocido (369 estrellas). Línea verde: Distintas relazaciones de actividad solar en periodos de 4 años.

Lo que vemos en esta figura es un histograma con la distribución de estrellas según su grado de actividad. En el eje x estaría la actividad y en el eje y el número de estrellas. La línea negra representa la muestra completa de 2,898 estrellas, la línea azul muestra las estrellas con periodo de rotación conocido (los niños altos de la clase) y la línea verde muestra diferentes realizaciones del Sol tomando diferentes periodos de 4 años ¡Ojo, que la escala en y es logarítmica!

En el histograma, los autores pretenden transmitir el mensaje de que el Sol (la línea verde) se encuentra muy a la izquierda del diagrama (poca actividad). Sin embargo, a mí me parece muy resaltable que, en realidad, el Sol se encuentra justo en el pico del histograma de la muestra completa (es decir, donde hay más estrellas). Las escalas logarítmicas vienen bien para mostrar variaciones a lo largo de muchos órdenes de magnitud. Pero si uno no tiene cuidado, puede engañarse al sobreinterpretar lo que es una pequeña cola. Me he tomado el trabajo de copiar manualmente los datos de esta gráfica para representarlos en una escala lineal. En ese caso el histograma quedaría así:

Igual que en la figura anterior pero en este caso en escala lineal.

Cuando miramos estas gráficas parece obvio que el Sol es una estrella perfectamente normal entre las estrellas de tipo solar. Si cogemos una muestra aleatoria de estrellas de tipo solar (incluyendo todos los posibles periodos de rotación), las realizaciones del Sol están perfectamente centradas entre el 87% de dicha muestra. La zona azul muestra una cola de estrellas peculiarmente activas. Como son más activas de lo normal, su periodo de rotación es medible, lo conocemos y podemos seleccionar un periodo de rotación similar al del Sol. Pero eso es un sesgo observacional. El resultado de esa comparación no es, como afirman los autores, que el Sol sea anómalamente inactivo sino que esas estrellas de la zona azul son anómalamente activas.

Entonces ¿es un disparate el paper? No, ni muchísimo menos. Me parece incorrecto el título y el enfoque de la nota de prensa, así como los artículos que han salido en los medios de comunicación (no por culpa de los periodistas sino porque la información les ha llegado distorsionada de la fuente). Sin embargo, el problema es de gran interés, el enfoque me parece interesante y los resultados relevantes. ¿Por qué existe esa cola de estrellas anómalamente activas (la zona azul en el histograma)? Todas estas estrellas tienen los mismos parámetros fundamentales. Por lo que sabemos, deberían ser prácticamente idénticas. Y sin embargo, su nivel de actividad es diferente. Al menos el 13% de estas estrellas, que por lo demás son idénticas al Sol, tienen un comportamiento diferente con mucha mayor varibilidad fotométrica. 

Los autores sugieren una posibilidad que ya ha aventurado este grupo en algunos otros trabajos y es que las estrellas de tipo solar sufran una transición de fase brusca en su mecanismo de dinamo aproximadamente en la edad del Sol. Aquí este "aproximadamente" hay que tomarlo como cientos de millones de años arriba o abajo. Por el registro isotópico sabemos que el nivel de variabilidad producido por la actividad solar no ha sido tan drásticamente diferente en escales de varios miles de años. Pero yéndonos a escalas de vidas estelares no podemos estar seguros. Quizás en esta muestra estamos viendo estrellas que se encuentran antes y después de la transición. Los autores sugieren que la transición sería hacia una dinamo mucho más fuerte y, por tanto, niveles de actividad mayores, aunque no he visto ninguna razón por la que no pudiera ser al revés. Sería muy interesante poder correlacionar estas estrellas peculiares con una edad mayor (o menor) que el resto de la muestra pero no tenemos suficiente precisión en esa determinación de edades. 

Otra posibilidad (también sugerida por los autores) podría ser que a lo largo de la vida de una estrella se produjeran, de forma más o menos estocástica, variaciones en su nivel de actividad debidas a cambios en el funcionamiento de su dinamo. No olvidemos que este tipo de procesos de dinamo, que todavía no se entienden bien, suelen mostrar comportamientos caóticos. Si este fuera el caso, el Sol podría cambiar en cualquier momento a un estado de actividad mucho más violenta aunque, de nuevo, el registro isotópico sugiere que un cambio así no sería probable en escalas de, cuando menos, miles de años.

En definitiva, me parece un artículo muy interesante con resultados que abren interrogantes sobre los que reflexionar. Por eso me parece una pena que estas ideas se hayan perdido como lágrimas en la lluvia bajo el ruido de un mal título y peor nota de prensa. Por supuesto, existe la posibilidad de que yo me haya equivocado y lo esté entendiendo todo mal así que si alguien encuentra errores en mi razonamiento, agradeceré que me lo haga saber. Pero, como Barkley, lo dudo :)

Actualización 18-Mayo-2020: Incluyo una actualización al día siguiente de publicar este artículo porque se da la circunstancia de que está circulando una historia en medios de comunicación sobre que el Sol se debilita y tendrá consecuencias catastróficas[5]. Existen varios de estos artículos en diferentes medios internacionales que se citan unos a otros y ponen comentarios de expertos sin contexto adecuado, sin dar fuentes originales y mezclando un batiburrillo de cosas que, sin ser necesariamente falsas, crean una idea equivocada en el lector. El Sol no se está debilitando en el sentido de que disminuya la cantidad de luz y calor que produce, como parecen sugerir estos artículos, sino que disminuye su actividad magnética. Es decir, se refieren a las manchas solares, las protuberancias y las erupciones que dan lugar a las tormentas solares. Resulta que estamos en un mínimo de actividad, que es lo que toca en el ciclo de 11 años por el cual el Sol pasa con bastante regularidad entre máximo y mínimo. Cuando estamos en máximo de actividad vemos titulares sugiriendo que vamos a morir abrasados por una tormenta solar, mientras que cuando estamos en mínimo vemos titulares advirtiendo de que moriremos congelados y perderemos los cultivos. En el colmo del despropósito, lo ligan con erupciones volcánicas, que por supuesto no tienen nada que ver con el Sol. Casi sorprende que no hilen también el mínimo solar con la pandemia de COVID-19.