La riconnessione magnetica e riscaldamento locale della corona solare

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Gli scienziati hanno notato che periodicamente, le linee del campo magnetico aggrovigliate del Sole si spezzeranno e quindi si riallineano. Questo processo è noto come riconnessione magnetica, in cui la topologia magnetica di un corpo viene riorganizzata e l’energia magnetica viene convertita in energia cinetica, energia termica e accelerazione delle particelle.

Tuttavia un gruppo di astronomi indiani hanno recentemente assistito ad un evento senza precedenti: una riconnessione magnetica innescata da un’eruzione vicina. Questa osservazione ha confermato una teoria vecchia di decenni sulle riconnessioni magnetiche che potrebbe condurci a una rivoluzione nella nostra comprensione del tempo spaziale e degli esperimenti controllati di fusione e plasma.

Il team responsabile della scoperta è stato guidato da Abhishek Srivastava, uno scienziato solare dell’Indian Institute of Technology (BHU), e comprendeva astronomi dell’Università della Boemia meridionale, School of Earth and Space Sciences dell’Università di Pechino, Center for matematical Plasma Astrofisica, l’Istituto indiano di astrofisica e l’Osservatorio di Armagh.

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Utilizzando i dati del Solar Dynamics Observatory della NASA, Srivastava e i suoi colleghi hanno osservato un’esplosione magnetica diversa dalle altre. Comincia nella parte superiore dell’atmosfera del Sole (la corona), dove un grande anello di materiale (noto anche come prominenza) viene gettato da un’eruzione dalla superficie del Sole. Questo anello inizia quindi a scendere in superficie, ma poi si imbatte in una massa di linee di campo intrecciate, innescando un’esplosione magnetica.

Come ha spiegato Abhishek Srivastava, uno scienziato solare dell’Indian Institute of Technology (BHU):

“Questa è stata la prima osservazione di un driver esterno di riconnessione magnetica. Potrebbe essere molto utile per comprendere altri sistemi. Ad esempio, le magnetosfere terrestri e planetarie, altre fonti di plasma magnetizzato, inclusi esperimenti su scala di laboratorio in cui il plasma è altamente diffusivo e molto difficile da controllare. “

In casi precedenti, le riconnessioni magnetiche osservate sia sul Sole che intorno alla Terra erano state di natura spontanea. Questi si verificano solo quando le condizioni sono giuste in una particolare regione del Sole, che include un sottile strato di gas ionizzato (noto anche come plasma) chee conduce solo corrente elettrica, però solo debolmente.

La possibilità di riconnessioni forzate – guidate da esplosioni – era stata teorizzata per la prima volta 15 anni fa, non sono mai state osservate direttamente. Questo tipo di riconnessione può avvenire in una gamma più vasta di posizioni in cui le lastre al plasma hanno una resistenza ancora inferiore a condurre corrente elettrica. Tuttavia, è richiesta un’eruzione per attivarla, che schiaccia il plasma e i campi magnetici che li fa riconnettere.

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Impressione dell’artista delle linee di campo del Sole, sulla base dei dati raccolti dalla SDO. Credito: NASA / GSFC / Solar Dynamics Observatory

Usando la SDO, il team è stato in grado di studiare questo plasma esaminando il Sole a una lunghezza d’onda che mostrava particelle riscaldate tra 1 – 2 milioni di ° C. Ciò ha permesso di osservare e fotografare per la prima volta nella storia un evento di riconnessione forzata nella corona solare. Il fenomeno comincia con la prominenza della corona che ricade nella fotosfera dove si imbatte in un disordine di linee di campo e si ricollega in una caratteristica forma a X.

Le riconnessioni magnetiche offrono una possibile spiegazione del perché la corona del Sole è in realtà milioni di gradi più calda dell’atmosfera inferiore, questo fenomeno è sempre stato un mistero per gli astronomi. Gli scienziati che si occupano del sole hanno trascorso decenni alla ricerca di un possibile meccanismo che potrebbe essere responsabile della conduzione di questo calore.

Srivastava e il suo team hanno osservato il plasma in più lunghezze d’onda ultraviolette per calcolare la temperatura dopo l’evento di riconnessione. I dati hanno mostrato che la prominenza, che è più fredda della corona circostante, diventa in realtà più calda dopo la riconnessione. Ciò suggerisce che la riconnessione forzata potrebbe essere responsabile del riscaldamento locale della corona.

Mentre la riconnessione spontanea potrebbe ancora essere un fattore che contribuisce, le riconnessioni forzate sembrano essere più grandi, in grado di aumentare le temperature del plasma più velocemente, più in alto e in modo più controllato. Srivastava e i suoi colleghi continuano a cercare eventi di riconnessione forzati nella speranza di comprendene meglio i meccanismi.

NASA’s Goddard Space Flight Center – Gli scienziati hanno osservato un nuovo tipo di esplosione magnetica, nota come riconnessione magnetica forzata o controllata. (sottotitoli in italian

Riconnessione magnetica in dettaglio

La riconnessione magnetica è uno dei processi naturali più interessanti nell’Universo, perché alla base di diversi fenomeni spaziali, come lampi di raggi gamma, brillamenti, espulsioni di massa coronale e riscaldamento coronale (nel Sole e in altre stelle), ma anche delle tempeste geomagnetiche che causano l’affascinante aurora boreale sulla Terra. In sintesi, la riconnessione si verifica quando due linee di campo magnetico (incorporate nel plasma – il caldo materiale che costituisce il 99% dell’universo visibile) si rompono e si collegano tra loro rilasciando grandi quantità di energia. Questo processo avviene in regioni prevalentemente bidimensionali (current sheet)  in cui le particelle caricate elettricamente sono fortemente concentrate. Ma finora il fenomeno era avvolto da un mistero: perché la riconnessione magnetica avviene più velocemente rispetto a quanto scritto nelle diverse teorie elaborate in questi anni?

riconnessione magnetica
A sinistra, sequenza che illustra il concetto di riconnessione magnetica. Una coppia di linee di campo magnetico di polarità opposta vengono a collidere muovendosi verticalmente nel disegno (frecce arancioni, moto di afflusso), andando quindi a formare per riconnessione una nuova coppia di linee che si espandono orizzontalmente (frecce rosse, moto di efflusso). Il plasma nel corso della riconnessione subisce un riscaldamento, compressione e accelerazione. A destra: i primi due modelli di riconnessione proposti storicamente, ossia quello di Sweet e Parker (in alto) e di Petschek (in basso): i due modelli si differenziano per la dimensione della regione di riconnessione, e quindi per la velocità di riconnessione risultante.

«La riconnessione magnetica è un processo tramite il quale le line di forza del campo magnetico possono cambiare la loro “connettività”, cioè si può immaginare che queste linee di forza si rompano e si riconnettano con altre linee di forza del campo magnetico in alcuni punti particolari del plasma, dove appunto avviene la riconnessione magnetica. In un plasma “ideale” (perfettamente conduttore) questo processo è proibito, perciò avviene solo in punti particolari (in genere sottili strati di corrente elettrica molto intensa) dove la “non-idealità” del plasma emerge.  Il processo di riconnessione magnetica è molto importante in astrofisica perché permette di liberare grandi quantitativi di energia magnetica in tempi brevissimi. Questa energia viene quindi convertita in un aumento di energia cinetica delle particelle di plasma».

Cause ed effetti

Questa teoria si riferisce alle induzioni di correnti elettriche nella corona da parte del campo magnetico solare. Queste correnti collasserebbero immediatamente, rilasciando energia sotto forma di calore e onde nella corona. Questo processo viene chiamato “riconnessione” per il comportamento particolare dei campi magnetici nel plasma (o in un qualunque fluido conduttore come il mercurio o l’acqua di mare). In un plasma le linee del campo magnetico sono normalmente collegate a elementi di materia, in modo che la topologia del campo magnetico rimanga la stessa: se una particolare coppia di poli magnetici nord e sud sono collegati da una linea di campo, allora anche se il plasma o i magneti si muovono, quella linea di campo continuerà a connettere quei particolari poli. La connessione viene mantenuta dalle correnti elettriche indotte nel plasma. Sotto certe condizioni queste correnti possono collassare, permettendo al campo magnetico di “riconnettersi” ad altri poli magnetici e rilasciare energia sotto forma di calore e onde.

La riconnessione magnetica è il fenomeno che provoca i flare solari, le più grandi esplosioni nel sistema solare. Inoltre, la superficie del sole è coperta da milioni di piccole regioni magnetizzate di 50–1000 km che si muovono costantemente sotto l’effetto della granulazione. Il campo magnetico nella corona dovrebbe quindi essere soggetto a costanti riconnessioni per adattarsi al movimento di questo “tappeto magnetico”, e l’energia rilasciata da questo processo è una candidata come fonte del calore della corona, forse sotto forma di “microflare”, ognuno dei quali produrrebbe un contributo di energia.

Questa teoria fu sostenuta da Eugene Parker negli anni ottanta, ma è ancora controversa. In particolare, i telescopi TRACE ed EIT (SOHO) sono in grado di osservare singoli microflare come piccole luminosità nella luce ultravioletta, e ne sono stati rilevati troppo pochi per giustificare l’energia della corona. Una porzione di essa potrebbe essere sotto forma di onde, o da un processo di riconnessione magnetico talmente graduale da fornire energia in modo continuativo e non essere rilevato dai telescopi. Attualmente si stanno effettuando delle ricerche su varianti di questa teoria come ipotesi su altre cause di stress del campo magnetico o di produzione di energia.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. On the Observations of Rapid Forced Reconnection in the Solar Corona – A. K. SrivastavaS. K. Mishra, P. JelínekTanmoy Samanta – 2019 December 17 The Astrophysical JournalVolume 887Number 2
  2. “General theory of the plasmoid instability”, di L. Comisso, M. Lingam, Y.-M. Huang e A. Bhattacharjee

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