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Un passo avanti verso i segreti del sole

Parker Solar Probe della NASA sta attualmente organizzando una serie di incontri ravvicinati con il Sole. Le prime osservazioni dell’astronave hanno migliorato la nostra comprensione sia del Sole che del suo ambiente.

Sebbene il Sole sia abbastanza vicino a noi rispetto ad altre stelle, ci ha sempre nascosto intriganti e fondamentali segreti scientifici. Ad esempio, non sappiamo ancora come la corona solare – l’atmosfera più esterna del Sole – mantenga temperature superiori a un milione di kelvin, mentre la superficie visibile ha temperature di poco inferiori ai 6.000 K. La corona produce il vento solare, un deflusso di particelle di plasma (ioni liberi ed elettroni) che si espande nello spazio tra i pianeti. Nel 2018, la NASA ha lanciato Parker Solar Probe (PSP) con l’obiettivo di identificare i meccanismi alla base del riscaldamento della corona e dell’accelerazione del vento solare. Quattro articoli in Nature  riportano i primi risultati della PSP.

Le misurazioni dalla PSP sono state prese quando l’astronave era vicina ai 24 milioni di chilometri dal Sole (per confronto, la distanza media tra Mercurio e il Sole è di circa 58 milioni di chilometri). Mostrano che il vento solare vicino al Sole è molto più strutturato e dinamico di quanto non lo sia sulla Terra (Fig. 1). Bale et al. misurazioni attuali della direzione e dell’intensità del campo magnetico del Sole , che viene trascinato nello spazio dal vento solare. Gli autori trovano inversioni rapide nella direzione del campo che durano solo pochi minuti. Sebbene alcune strutture magnetiche simili siano state viste prima, la grande ampiezza e l’alto tasso di occorrenza di queste inversioni sono sorprendenti. In effetti, la natura di queste strutture rimane sconosciuta.

Parker solar Probe
Figura 1 | L’ambiente vicino al sole. L’atmosfera più esterna del Sole genera un deflusso di particelle di plasma (ioni ed elettroni) chiamato vento solare. Elettroni “Strahl” e particelle energetiche nel flusso del vento lungo le linee del campo magnetico del Sole. Quattro articoli 3 – 6 riportano osservazioni dalla sonda solare Parker (PSP), che è attualmente in orbita attorno al sole. I dati PSP suggeriscono che le linee del campo contengono curve a forma di S e che il Sole rilascia macchie di plasma che fanno parte del giovane vento solare. L’immagine della luce ultravioletta del Sole è stata presa dal Solar Dynamics Observatory della NASA il giorno in cui la PSP ha fatto il suo primo incontro ravvicinato con il Sole.

Bale e colleghi riferiscono anche che i sensori della PSP hanno rilevato fluttuazioni nei campi elettrici e magnetici locali nel vento solare che sono più grandi di quelli rilevati vicino alla Terra. Queste fluttuazioni possono essere generate dalla turbolenza nel vento solare o dalle instabilità del plasma che sono guidate da ioni o elettroni. La presenza di tali fluttuazioni suggerisce che le instabilità del plasma hanno un effetto molto più grande sulla dinamica e sull’energia del vento solare di quanto precedentemente previsto.

Kasper et al. osservazioni attuali degli ioni e degli elettroni del plasma del Sole . Scoprono che le inversioni nel campo magnetico del Sole sono spesso associate a miglioramenti localizzati nella componente radiale della velocità del plasma (la velocità nella direzione lontana dal centro del Sole). Gli autori usano il segnale estremamente chiaro dello strahl del vento solare – un raggio collimato e veloce di elettroni che scorrono lungo il campo magnetico – per studiare la geometria e la configurazione del campo. Questo metodo porta Kasper e colleghi a interpretare le inversioni del campo magnetico come curve a forma di S mobili nelle linee del campo provenienti dal Sole.

Questi autori riportano anche una componente azimutale sorprendentemente grande della velocità del plasma (la velocità perpendicolare alla direzione radiale). Questo componente deriva dalla forza con cui la rotazione del Sole lancia il plasma fuori dalla corona quando il plasma viene rilasciato dal campo magnetico coronale – proprio come un lanciatore di martelli rotanti lancia il martello quando lo rilascia dalle loro mani. Tuttavia, la ragione del grande valore osservato della velocità azimutale non è attualmente chiara.

McComas et al. studi di rilevazione di ioni energetici ed elettroni, alcuni dei quali sono osservati più spesso nella regione appena fuori dalla corona di quanto non siano vicino alla Terra. Queste particelle sono accelerate da razzi (eruzioni di radiazione) nella corona o da onde d’urto associate a espulsioni di massa coronale (eruzioni di plasma), che viaggiano attraverso lo spazio interplanetario. Gli autori identificano le particelle corrispondenti a entrambi i tipi di regione di origine.

solar Parker Probe
Diagramma dell’orientamento della sonda durante il suo percorso orbitale. Credits: NASA/Johns Hopkins APL

Poiché le particelle energetiche viaggiano lungo il campo magnetico del Sole, la differenza nel tempo in cui le particelle veloci e lente arrivano alla PSP può essere utilizzata per stimare la lunghezza del percorso della loro traiettoria lungo il campo. McComas e colleghi scoprono che questa lunghezza del percorso è più lunga del previsto, il che suggerisce che il campo magnetico ha una geometria più complicata del previsto. Questo risultato potrebbe essere giustificato dalle inversioni del campo magnetico a forma di S.

Lo strumento di imaging a bordo della PSP effettua osservazioni remote di luce diffusa da elettroni e polvere vicino al sole. Howard et al. riportano che l’ intensità della luce diffusa dalla polvere diminuisce con la distanza dal Sole quasi nello stesso modo in cui viene osservata dalla Terra. Tuttavia, gli autori trovano alcune prove preliminari dell’esistenza di una ipotetica zona priva di polvere vicino al Sole che non è stata rilevata prima. Le immagini dettagliate della PSP mostrano anche variazioni spaziali nel vento solare che sono coerenti con le variazioni del campo magnetico del Sole sulla sua superficie e rivelano piccole particelle di plasma che vengono espulse dal Sole e fanno parte del giovane vento solare.

Questi quattro documenti mostrano che, entrando in una regione inesplorata del Sistema Solare, la PSP ha già fatto grandi scoperte. Nel prossimo futuro, sarà importante combinare tutte le fonti di informazione disponibili per sviluppare una comprensione più profonda della fisica del Sole e del vento solare. Ad esempio, i ricercatori dovrebbero combinare le misurazioni dei campi elettrici e magnetici con osservazioni dettagliate delle particelle di plasma per determinare come i campi e il plasma interagiscono e determinano l’instabilità. Devono inoltre studiare ulteriormente la grande velocità del flusso azimutale per confermare se si tratta di una caratteristica persistente o di un’eccezione unica durante queste misurazioni iniziali di PSP.

L’uso di modelli di campo magnetico consentirà agli scienziati di imparare di più sul percorso delle particelle energetiche tra il Sole e la PSP e, a sua volta, sul clima spaziale – gli effetti del Sole e del vento solare sulla Terra e sulla tecnologia umana. Questi studi sulle particelle energetiche devono anche essere collegati con osservazioni remote della superficie del Sole e della corona. Esaminare la potenziale presenza della zona priva di polvere vicino al Sole deve essere un altro obiettivo a breve termine, ma in futuro potrebbe essere necessario attendere approcci più vicini della PSP al Sole.

Si prevede che i dati PSP guideranno la nostra comprensione del Sole e del vento solare per molti anni. Nuovi modelli e teorie saranno motivati ​​dalle scoperte del veicolo spaziale, e questa conoscenza sarà trasferibile ad altre stelle e plasmi astrofisici in tutto l’Universo. Dopotutto, il Sole è l’unica stella che possiamo studiare da vicino usando l’astronave. L’orbita della PSP porterà il veicolo spaziale ancora più vicino al Sole nei prossimi anni, a poco più di 6 milioni di chilometri dalla superficie. Durante questo periodo, il Sole passerà a una fase più attiva del suo ciclo di 11 anni, quindi presto possiamo aspettarci risultati ancora più entusiasmanti.

Nel 2020 l’Agenzia spaziale europea lancerà la missione Solar Orbiter. Sebbene questa navicella spaziale non si avvicini tanto al Sole quanto alla PSP, la sua suite più ampia di strumenti scientifici verrà utilizzata in combinazione con la PSP per rivelare le informazioni chiave sul Sole. Ad esempio, Solar Orbiter misurerà la composizione elementare e gli stati di carica degli ioni e scatterà fotografie del Sole in diverse lunghezze d’onda della luce. Queste misurazioni congiunte colmeranno sicuramente alcune delle lacune rimanenti nella nostra conoscenza del Sole e del vento solare. Per ora, tuttavia, il Sole ha dimostrato ancora una volta che contiene ancora più segreti da scoprire.

Il giovane vento solare

Il vento solare porta con sé il campo magnetico del Sole, modellando il tempo spaziale in tutto il sistema solare mentre scorre dal Sole a circa un milione e mezzo di km all’ora. Alcuni dei principali obiettivi scientifici di Parker Solar Probe sono individuare i meccanismi che inviano il vento solare che fluisce nello spazio a velocità così elevate.

Un indizio sta nei disturbi del vento solare che potrebbero indicare i processi che riscaldano e accelerano il vento. Queste strutture – sacche di materiale relativamente denso – sono state viste nei dati di precedenti missioni che abbracciano decenni. Sono diverse volte più grandi dell’intero campo magnetico terrestre, che si estende per decine di migliaia di miglia nello spazio, il che significa che queste strutture possono comprimere il campo magnetico terrestre su scala globale quando si schiantano contro di esso.

vento solare
Gli strumenti a particelle energetiche ISOIS di Parker hanno misurato numerosi eventi inediti così piccoli che tutte le loro tracce vengono perse prima che raggiungano la Terra. Questi strumenti hanno anche misurato un raro tipo di esplosione di particelle con un rapporto particolarmente elevato di elementi più pesanti, suggerendo che entrambi i tipi di eventi potrebbero essere più comuni di quanto gli scienziati pensassero in precedenza. Gli eventi di particelle energetiche solari sono importanti da capire in quanto possono sorgere improvvisamente e portare a condizioni meteorologiche spaziali vicino alla Terra che possono essere potenzialmente dannose per gli astronauti. Svelare le fonti, l’accelerazione e il trasporto di particelle energetiche solari ci aiuterà a proteggere meglio gli esseri umani nello spazio in futuro.
Credito: NASA / Goddard

“Quando le strutture del vento solare raggiungono la Terra, possono guidare le dinamiche della magnetosfera terrestre, compresa la precipitazione delle particelle dalle fasce di radiazione terrestri”, ha affermato Nicholeen Viall, scienziato spaziale presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, che ha presentato nuove scoperte su strutture eoliche solari di Parker Solar Probe alla riunione dell’AGU. La precipitazione delle particelle può causare una serie di effetti, come l’attivazione dell’aurora e l’interferenza con i satelliti.

Vicino al Sole, la sonda solare Parker ha effettuato misurazioni migliori che mai di queste strutture eoliche solari, utilizzando entrambi gli imager per scattare foto da lontano e   strumenti in situ per misurare le strutture mentre passano sopra l’astronave. Per avere un quadro più completo di queste strutture eoliche solari, Viall ha fatto un ulteriore passo avanti, combinando le osservazioni di Parker, dei satelliti vicino alla Terra e  del veicolo spaziale STEREO-A della NASA  per esaminare queste strutture da più angolazioni.

STEREO-A porta uno strumento chiamato coronagraph, che utilizza un solido disco per bloccare la luce intensa del Sole, lasciando che la telecamera catturi immagini dell’atmosfera esterna relativamente debole, la corona. Dal suo punto di osservazione a circa 90 gradi dalla Terra, STEREO-A poteva vedere le regioni della corona attraverso cui Parker stava volando – permettendo a Viall di combinare le misure in un modo nuovo e ottenere una migliore visione delle strutture del vento solare mentre scorrevano dal sole. Oltre alle immagini della sonda solare Parker, gli scienziati hanno ora una visione migliore dei disturbi magnetici nel vento solare.

Gli strumenti di Parker stanno inoltre gettando nuova luce sui processi invisibili nel vento solare, rivelando un sistema sorprendentemente attivo vicino al Sole.

“Pensiamo al vento solare – come lo vediamo vicino alla Terra – come molto liscio, ma Parker ha visto un vento sorprendentemente lento, pieno di piccoli scoppi e getti di plasma”, ha detto Tim Horbury, un ricercatore capo sugli strumenti FIELDS di Parker Solar Probe all’Imperial College di Londra.

Horbury ha utilizzato i dati degli strumenti FIELDS della sonda solare Parker – che misurano la scala e la forma dei campi elettrici e magnetici vicino all’astronave – per esaminare in dettaglio un evento particolarmente strano: “inversioni” magnetiche, gruppi improvvisi di eventi quando il campo magnetico solare si piega indietro su se stesso, descritto per la prima volta con i risultati iniziali di Parker Solar Probe   il 4 dicembre 2019.

vento solare
I primi risultati della sonda solare Parker della NASA mostrano i salti nella direzione del campo magnetico, che fuoriesce dal sole, incorporato nel vento solare e rilevato dallo strumento FIELDS. Durante una commutazione, il campo magnetico si sposta indietro su se stesso fino a quando non viene puntato quasi direttamente al Sole. Questi cambiamenti, insieme ad altre osservazioni del vento solare, possono fornire indizi precoci su quali meccanismi riscaldano la corona solare e accelerano il vento solare.
Credito: NASA / Goddard / CIL

L’esatta origine dei tornanti non è certa, ma potrebbero essere segni del processo che riscalda l’atmosfera esterna del Sole, la corona, a milioni di gradi, centinaia di volte più calda della superficie visibile sottostante. La causa di questo controintuitivo salto di temperatura è una questione di lunga data nella scienza solare – indicata come il mistero del riscaldamento coronale – ed è strettamente correlata alle domande su come il vento solare viene energizzato e accelerato.

“Pensiamo che i tornanti siano probabilmente legati alle singole emissioni di energia energetica sul Sole – ciò che chiamiamo getti”, ha detto Horbury. “Se questi sono getti, ci deve essere una grande popolazione di piccoli eventi che accadono sul Sole, quindi contribuirebbero una grande frazione dell’energia totale del vento solare”.

Uno sguardo dentro le tempeste solari

Insieme al vento solare, il Sole rilascia anche nuvole discrete di materiale chiamate espulsioni di massa coronale o CME. Più densi e talvolta più veloci del vento solare, i CME possono anche innescare effetti meteorologici spaziali sulla Terra o causare problemi ai satelliti lungo il loro percorso.

I CME sono notoriamente difficili da prevedere. Alcuni di essi non sono semplicemente visibili dalla Terra o da STEREO-A – le due posizioni in cui abbiamo strumenti in grado di vedere da lontano le CME – perché esplodono da parti del Sole fuori dalla vista di entrambi i veicoli spaziali. Anche quando sono individuati da strumenti, non è sempre possibile prevedere quali CME disturberanno il campo magnetico terrestre e scateneranno effetti meteorologici spaziali, poiché la struttura magnetica all’interno della nuvola di materiale svolge un ruolo cruciale.

Il nostro miglior tentativo di comprendere le proprietà magnetiche di un dato CME si basa sull’individuazione della regione sul Sole da cui è esploso il CME, il che significa che un’eruzione di tipo chiamata CME invisibile rappresenta una sfida unica per i meteorologi meteorologici spaziali.

I CME stealth sono visibili nei coronagraphs – strumenti che guardano solo l’atmosfera esterna del Sole – ma non lasciano chiare firme della loro eruzione nelle immagini del disco del Sole, rendendo difficile accertare da dove, esattamente, sono decollati.

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i capovolgimenti dei campi magnetici del Sole – soprannominati “cambi” – sembrano essere un fenomeno molto comune nel flusso del vento solare all’interno dell’orbita di Mercurio e durano ovunque da pochi secondi a diversi minuti mentre scorrono sul Parker della NASA Sonda solare durante il suo primo anno in orbita. Eppure sembrano non essere più presenti dal Sole – non avremmo modo di individuarli senza volare direttamente attraverso quel vento solare come ha fatto Parker.
Credito: NASA / Goddard / CIL

Ma durante il primo flyby solare di Parker Solar Probe nel novembre 2018, l’astronave è stata colpita da uno di questi CME stealth.

“Volando vicino al sole, la sonda solare Parker ha un’opportunità unica di vedere giovani CME che non sono stati elaborati viaggiando per decine di milioni di miglia”, ha affermato Kelly Korreck, responsabile delle operazioni scientifiche per gli strumenti SWEAP di Parker, con sede presso lo Smithsonian Osservatorio astrofisico a Cambridge, Massachusetts. “Questa è stata la prima volta che siamo stati in grado di attaccare i nostri strumenti all’interno di una di queste espulsioni di massa coronale che si avvicinano al Sole.”

In particolare, Korreck ha utilizzato i dati degli strumenti FIELDS e SWEAP di Parker per ottenere un’istantanea della struttura interna del CME. SWEAP, gli strumenti a fiato solare della missione, misura caratteristiche come velocità, temperatura, densità di elettroni e protoni del vento solare. Queste misurazioni non solo forniscono uno dei primi sguardi all’interno di un CME così vicino al Sole, ma possono aiutare gli scienziati a imparare a rintracciare i CME invisibili alle loro fonti.

sole
la sonda solare Parker della NASA ha osservato un lento vento solare che fuoriesce dal piccolo foro coronale – il lungo e sottile punto nero visto sul lato sinistro del sole in questa immagine catturata dal Solar Dynamics Observatory della NASA – il 27 ottobre 2018 Mentre gli scienziati sanno da tempo che i flussi di vento solare veloce scorrono dai fori coronali vicino ai poli, non hanno ancora identificato in modo conclusivo la fonte del lento vento solare del Sole.
Credito: NASA / SDO

Un altro tipo di tempesta solare è costituito da particelle estremamente energiche che si muovono vicino alla velocità della luce. Sebbene spesso correlate alle esplosioni di CME, queste particelle sono soggette ai propri processi di accelerazione – e si muovono molto più velocemente delle CME, raggiungendo la Terra e i veicoli spaziali in pochi minuti. Queste particelle possono danneggiare l’elettronica satellitare e mettere in pericolo gli astronauti, ma la loro velocità li rende più difficili da evitare rispetto a molti altri tipi di condizioni meteorologiche spaziali.

Queste esplosioni di particelle spesso, ma non sempre, accompagnano altri eventi solari come razzi e CME, ma predire proprio quando appariranno è difficile. Prima che le particelle raggiungano le velocità della luce vicina che le rendono pericolose per i veicoli spaziali, l’elettronica e gli astronauti, passano attraverso un processo di eccitazione a più stadi, ma il primo passo in questo processo, vicino al Sole, non era stato osservato direttamente.

Mentre Parker Solar Probe si allontanava dal Sole nell’aprile 2019, dopo il suo secondo incontro solare, l’astronave osservò l’evento di particelle più grande ed energico visto dalla missione. Le misurazioni della suite di strumenti per particelle energetiche, ISʘIS, hanno riempito un anello mancante nei processi di eccitazione delle particelle.

“Le regioni di fronte alle espulsioni di massa coronale accumulano materiale, come spazzaneve nello spazio, e si scopre che questi” spazzaneve “accumulano anche materiale da bagliori solari precedentemente rilasciati”, ha dichiarato Nathan Schwadron, scienziato spaziale all’Università del New Hampshire a Durham.

Comprendere come i brillamenti solari creano popolazioni di particelle di semi che alimentano eventi energetici di particelle aiuterà gli scienziati a prevedere meglio quando tali eventi potrebbero accadere, insieme a migliorare i modelli di come si muovono attraverso lo spazio.

Impronte digitali di asteroidi

Gli strumenti WISPR della sonda solare Parker sono progettati per catturare immagini dettagliate della debole corona e del vento solare, ma hanno anche raccolto un’altra struttura difficile da vedere: una scia di polvere larga 60.000 miglia che segue l’orbita dell’asteroide Fetonte, che ha creato la pioggia di meteoriti dei Geminidi . Nel 2019, la pioggia di meteoriti Geminidi raggiunge il picco nella notte del 13-14 dicembre.

Questa scia di polvere rovina l’atmosfera terrestre quando il nostro pianeta si interseca con l’orbita di Fetonte ogni dicembre, bruciando e producendo lo spettacolo spettacolare che chiamiamo Geminidi. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo che Phaethon è il genitore dei Geminidi, vedere la vera scia di polvere non è stato possibile fino ad ora. Estremamente debole e molto vicino al Sole nel cielo, non è mai stato raccolto da nessun telescopio precedente, nonostante diversi tentativi – ma WISPR è progettato per vedere strutture deboli vicino al Sole. La prima visione diretta in assoluto della scia di polvere del WISPR ha fornito nuove informazioni sulle sue caratteristiche.

vento solare
Gli strumenti WISPR di Parker Solar Probe hanno catturato la prima visione in assoluto di una scia di polvere nell’orbita dell’asteroide Fetonte. Questa scia di polvere crea la pioggia di meteoriti Geminidi, visibile ogni dicembre.
Crediti: Brendan Gallagher / Karl Battams / NRL

“Calcoliamo una massa dell’ordine di un miliardo di tonnellate per l’intero percorso, che non è tanto quanto ci aspetteremmo per i Geminidi, ma molto più di quanto Phaethon produca vicino al Sole”, ha affermato Karl Battams, scienziato spaziale presso il laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti a Washington, DC “Ciò implica che il WISPR sta vedendo solo una parte del flusso di Geminid – non l’intera cosa – ma è una porzione che nessuno aveva mai visto o addirittura sapeva che fosse lì, quindi è molto eccitante! ”

Con tre orbite sotto il braccio, Parker Solar Probe continuerà la sua esplorazione del Sole nel corso di 21 flybys solari progressivamente più vicini. Il prossimo cambio di orbita avverrà durante il sorvolo di Venere il 26 dicembre, portando Parker a circa 11,6 milioni di miglia dalla superficie del Sole per il suo prossimo avvicinamento al Sole il 29 gennaio 2020. Con misurazioni dirette di questo mai prima ambiente misurato – più vicino che mai al Sole – possiamo aspettarci di imparare ancora di più su questi fenomeni e scoprire domande completamente nuove.

Parker Solar Probe fa parte del programma Living with a Star della NASA per esplorare aspetti del sistema Sole-Terra che influenzano direttamente la vita e la società. Il programma Living with a Star è gestito dal Goddard Space Flight Center dell’agenzia di Greenbelt, nel Maryland, per la direzione della missione scientifica della NASA a Washington. Johns Hopkins APL ha progettato, costruito e gestisce l’astronave.

5 nuove scoperte dalla sonda solare Parker della NASALa missione della sonda solare Parker della NASA ha restituito dati senza precedenti da vicino al Sole, culminati in nuove scoperte pubblicate il 4 dicembre 2019 sulla rivista Nature. Tra i risultati ci sono nuove comprensioni su come si comporta il costante deflusso di materiale del Sole, il vento solare. Visto vicino alla Terra – dove può interagire con il campo magnetico naturale del nostro pianeta e causare effetti meteorologici spaziali che interferiscono con la tecnologia – il vento solare sembra essere un flusso relativamente uniforme di plasma. Ma le osservazioni di Parker Solar Probe rivelano un sistema complicato e attivo non visto dalla Terra. (Sottotitoli in Italiano)

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Nature 576 , 219-220 (2019) – doi: 10.1038 / d41586-019-03665-3
  2. Aschwanden, M. Physics of the Solar Corona: An Introduction with Problems and Solutions (Springer, 2005).
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