Las observaciones desde la estratosfera, a una altura media de unos 37 kilómetros sobre la superficie terrestre y a latitudes árticas durante el solsticio de verano, minimizan los efectos de la atmósfera terrestre. De esta manera, se obtienen imágenes comparables a las de los telescopios espaciales, con acceso a la banda azul del espectro hasta los 200 nm y observación continua durante 6-7 días, en el caso de los globos, a un coste económico significativamente menor. 

Sunrise III supone un salto innovador respecto a sus vuelos anteriores, Sunrise I y II, ya que incorpora mejoras significativas en la instrumentación de a bordo, como el espectropolarímetro de imagen TuMag (Tunable Magnetograph), y los espectropolarímetros de rendija SUSI (Sunrise Ultra-Violet Spectropolarimeter and Imager) y SCIP (Sunrise Chromospheric Infrared SpectroPolarimeter). Gracias a la abertura del telescopio de un metro, al sistema de guiado de la barquilla y al correlador de imagen (CWS), estos tres instrumentos permiten observar continuamente la superficie del Sol en las bandas de 300 a 410 nm (SUSI), de 525 nm (TuMag) y de 770 a 850 nm (SCIP), con resoluciones espaciales de alrededor de los 100 km y sensibilidades polarimétricas sin precedentes.

El principal objetivo científico de la misión es comprender mejor los procesos físicos que tienen lugar en la fotosfera y la cromosfera solares, es decir, las capas donde se generan los campos magnéticos y los flujos de velocidad que rigen la dinámica del plasma solar. Para ello, es necesario observar el espectro electromagnético de la luz solar, ya que de este modo se puede extraer información clave sobre el campo de velocidades y el campo magnético del Sol. La técnica que nos ayuda a reconstruir la geometría y evolución de los campos magnéticos a partir de la polarización de la luz se llama espectropolarimetría.

El campo magnético del Sol está estrechamente relacionado con la mayoría de los fenómenos físicos que observamos en su superficie, así como con el estado de la corona solar, la actividad magnética y el comportamiento de la heliosfera. Esta última es fundamental para establecer las condiciones de contorno en meteorología espacial, así como para estudiar la influencia de la actividad solar en la Tierra. Sunrise III ha obtenido, por primera vez, datos simultáneos del Sol en las bandas ultravioleta, visible e infrarroja, con resoluciones espaciales y temporales sin precedentes. Al analizar cómo la luz se polariza al atravesar la atmósfera solar, podemos reconstruir la estructura y evolución del magnetismo solar con gran precisión. Estas observaciones, en combinación con simulaciones numéricas, nos ayudarán a comprender mejor los procesos físicos que rigen la actividad solar.
 

El consorcio S³PC, un proyecto de colaboración internacional

Sunrise III ha sido posible gracias a una amplia colaboración internacional, liderada por el Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar de Gotinga (MPS, Alemania), y con una destacada participación española a través de la Red Española de Física Solar Aeroespacial (S³PC), una alianza estratégica de cinco instituciones españolas. En ella participan el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), la Universidad de Valencia (UV), la Universidad Politécnica de Madrid (UPM-IDR) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), con el liderazgo del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC). 

El S³PC proporciona el instrumento TuMag y colidera el espectropolarímetro infrarrojo SCIP, liderado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, Tokio). SCIP también cuenta con contribuciones del Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS, Sagamihara), de la Universidad de Kioto y del MPS. 

Además, participan el Instituto Leibniz de Física Solar (KIS, Friburgo, Alemania), que proporciona el CWS, y el Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins (Baltimore, EE. UU.), que suministra la góndola donde se monta el telescopio y los instrumentos postfocales.

El MPS, por su parte, contribuye con un telescopio de un metro de diámetro, con el instrumento SUSI y con la infraestructura necesaria para las operaciones durante el vuelo.

Sunrise III momentos antes del vuelo en julio de 2024. A la izquierda, se observa el globo estratosférico que lo transportará a la estratosfera. Sunrise III está sujeto a una grúa especial utilizada para el lanzamiento. Créditos: Mattias Forsberg, SSC, Esrange.

Tecnología de vanguardia

El éxito de Sunrise III se debe, en gran parte, a la operación simultánea de sus tres instrumentos principales:

TuMag - Un espectropolarímetro de imagen basado en tecnologías de vanguardia, diseñado para medir con alta precisión el espectro electromagnético del Sol. TuMag puede obtener observaciones casi simultáneas en dos de las tres líneas espectrales correspondientes a Fe I 525.02 nm, Fe I 525.06 nm y Mg I b₂ 517.3 nm, que proporcionan información sobre la fotosfera y la cromosfera baja, con cadencias que varían desde unos segundos hasta aproximadamente un minuto y medio, dependiendo del modo de observación.

Incorpora tecnologías innovadoras, como los moduladores de polarización basados en cristales líquidos (LCVR, por sus siglas en inglés, Liquid Crystal Variable Retarders); el uso de un etalón de niobato de litio (LiNbO₃) como imaginador de banda ultraestrecha para espectroscopía; una compleja doble rueda de filtros diseñada para alojar los filtros interferenciales previos y la óptica de calibración del instrumento; y un banco óptico de material compuesto para la instalación de la óptica del instrumento. Esta tecnología ha sido diseñada y fabricada íntegramente en España, incluyendo las cámaras científicas, la electrónica, la mecánica, el diseño térmico y las operaciones. Todo ello se ha desarrollado dentro del consorcio S³PC.

SUSI - Un espectropolarímetro de rendija que opera en el ultravioleta cercano y que está diseñado para explorar el rango espectral entre 309 y 417 nm, una región del espectro solar rica en información pero de difícil acceso desde tierra. Desarrollado por el MPS, este instrumento permitirá estudiar con alta precisión los procesos físicos en las capas superiores de la fotosfera y la cromosfera solar.

SCIP - Un espectropolarímetro de rendija en el infrarrojo cercano, especializado en la observación de las líneas espectrales del Ca II en la cromosfera, alrededor de 840 nm y del K I en la alta fotosfera, alrededor de 770 nm y desarrollado conjuntamente por el NAOJ y el S³PC.

Estas operaciones simultáneas han supuesto un verdadero desafío y, a la vez, un logro crucial para la misión Sunrise III. Aunque esta misión podría considerarse un observatorio “típico” en la estratosfera, donde los científicos llevan a cabo sus experimentos y observaciones con la instrumentación disponible, su operativa es radicalmente distinta a la de un observatorio terrestre.

En un observatorio convencional, cada instrumento cuenta con programas independientes de configuración, observación y calibración, lo que permite una gestión más flexible de las operaciones. En Sunrise III, sin embargo, fue necesario integrar y coordinar de manera precisa las características específicas de tres instrumentos diferentes, cada uno con sus propios requisitos, junto con el CWS y el apuntado de la góndola, y garantizar que todas las calibraciones y observaciones científicas se ejecutaran de forma óptima y sin intervención en tiempo real.

Este nivel de autonomía, necesario debido a las limitaciones en telemetría, supuso un desafío técnico sin precedentes, ya que no solo se programaron las observaciones, sino también todas las calibraciones en vuelo, garantizando que los tres instrumentos operaran de manera óptima y coordinada durante toda la campaña. La implementación exitosa de este sistema autónomo supone un hito en la exploración solar con observatorios estratosféricos y demuestra la capacidad de Sunrise III para llevar a cabo ciencia de vanguardia en condiciones extremadamente exigentes.   

Vista de la superficie de la Tierra y del telescopio y la góndola de Sunrise III desde la estratosfera. Imagen tomada con el instrumento IRIS-2, a bordo de la misión durante el vuelo de 2024. Créditos: Sunrise / MPS / IRIS-2

Impacto en la física solar

Sunrise III contribuirá significativamente a la comprensión de la dinámica de los campos magnéticos solares. Los datos obtenidos ayudarán a desentrañar procesos clave en la atmósfera solar, como la formación y evolución de las manchas solares, las erupciones y el transporte de energía en la cromosfera. 
Esta imagen muestra, a modo de ejemplo, una de las regiones activas observadas por Sunrise III. De izquierda a derecha se puede observar la intensidad del continuo en la línea de Mg I b2, la intensidad en torno a la longitud de onda central de esta misma línea, y el continuo cercano a la línea de Fe I 525.02, que muestra la fotosfera. Esta observación muestra los abrillantamientos ocasionados por una llamarada solar de tipo M que se pudo observar gracias a la eficaz gestión de las operaciones durante la misión. 
 

Imágenes obtenidas con TuMag durante la activación de una llamarada solar en una región activa del Sol. Créditos: Pablo Santamarina (IAA-CSIC) 

Un final feliz

El vuelo de Sunrise III estaba inicialmente programado para el verano de 2022. Sin embargo, la misión sufrió una violenta sacudida durante su lanzamiento debido a las rachas de viento el 10 de julio de 2022. La misión tuvo que ser abortada apenas seis horas después del despegue, ya que el mecanismo de sujeción del telescopio, diseñado para mantenerlo fijo en la góndola durante el lanzamiento y las fases de ascenso y descenso, no resistió la fuerte aceleración. La misión se abortó justo después de la fase de calibración de la electrónica. Todos los instrumentos funcionaban perfectamente, pero no era posible mover el telescopio en elevación, ya que quedó atascado en parte de la estructura debido a la violencia del lanzamiento. 

Afortunadamente y de forma inesperada y en contra de toda predicción, el aterrizaje del observatorio fue relativamente suave y Sunrise III se pudo recuperar sin apenas daños, abriendo las puertas, después de una serie de ajustes y de pruebas exhaustivas de su instrumentación, al nuevo, y exitoso, vuelo de verano de 2024. 
 

Parte del personal desplazado a la base de Esrange (Suecia), para el vuelo programado de Sunrise III en 2022. Créditos: IAA-CSIC