Introduzione: una esplorazione senza precedenti

Nell’agosto 2018, la sonda solare Parker della NASA è stata lanciata nello spazio, diventando presto la navicella spaziale più vicina al Sole. Con strumenti scientifici all’avanguardia per misurare l’ambiente attorno all’astronave, Parker Solar Probe ha completato tre dei 24 passaggi pianificati attraverso zone dell’atmosfera del Sole mai esplorate prima. Il 4 dicembre 2019, quattro nuovi articoli sulla rivista Nature descrivono ciò che gli scienziati hanno imparato, da questa esplorazione senza precedenti, della nostra stella e ciò che non vedono l’ora di apprendere in seguito.

Inizio di una nuova era per la eliofisica

I risultati di questa esplorazione rivelano nuove informazioni sul comportamento del materiale e delle particelle che si allontanano rapidamente dal Sole, avvicinando gli scienziati a rispondere a domande fondamentali sulla fisica della nostra stella. Nel tentativo di proteggere gli astronauti e la tecnologia nello spazio, le informazioni che Parker ha scoperto su come il Sole espelle costantemente materiale ed energia aiuterà gli scienziati a riscrivere i modelli che usiamo per comprendere e prevedere il tempo spaziale attorno al nostro pianeta e comprendere il processo quali stelle vengono create ed evolvono.

Questi primi dati di Parker rivelano la nostra stella, il Sole, in modi nuovi e sorprendenti“, ha affermato Thomas Zurbuchen, amministratore associato per la scienza presso la sede della NASA a Washington. “Osservare il Sole da vicino piuttosto che da una distanza molto maggiore ci sta dando una visione senza precedenti su importanti fenomeni solari e su come ci influenzano sulla Terra e ci offre nuove intuizioni rilevanti per la comprensione delle stelle attive attraverso le galassie. È solo l’inizio di una era incredibilmente eccitante per l’eliofisica

Anche se lo può sembrare osservandolo dalla Terra, il Sole è tutt’altro che calmo. La nostra stella è magneticamente attiva, scatena potenti esplosioni di luce, diluvi di particelle che si muovono vicino alla velocità della luce e nuvole di miliardi di tonnellate di materiale magnetizzato. Tutta questa attività influenza il nostro pianeta, iniettando particelle dannose nello spazio in cui volano i nostri satelliti e gli astronauti, interrompendo le comunicazioni e i segnali di navigazione e persino – quando intenso – provocando interruzioni di corrente. Sta succedendo per l’intera vita di 5 miliardi di anni del Sole e continuerà a plasmare i destini della Terra e degli altri pianeti nel nostro sistema solare.

La 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. Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA

“Il sole ha affascinato l’umanità per tutta la nostra esistenza“, ha affermato Nour E. Raouafi, scienziato del progetto per Parker Solar Probe presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory a Laurel, Maryland, che ha costruito e gestisce la missione per la NASA. “Abbiamo imparato molto sulla nostra stella negli ultimi decenni, ma avevamo davvero bisogno di una missione come la sonda solare Parker per entrare nell’atmosfera del Sole. È solo lì che possiamo davvero imparare i dettagli di questi complessi processi solari. E ciò che abbiamo appreso in queste tre orbite solari ha cambiato molto ciò che sappiamo sul Sole”  

Vento solare dinamico

Osservato vicino alla Terra, il vento solare è un flusso relativamente uniforme di plasma, con cadute turbolente occasionali. Ma a quel punto ha percorso oltre 145 milioni di chilometri e i firmsegni dei meccanismi esatti del Sole che comportano il riscaldamento e l’accelerazione del vento solare, vengono spazzate via. Più vicino alla fonte del vento solare, Parker Solar Probe ha visto un quadro molto diverso: un sistema complicato e attivo.

La complessità è stata strabiliante quando abbiamo iniziato a esaminare i dati“, ha affermato Stuart Bale, dell’Università della California, Berkeley, a capo della suite di strumenti FIELDS di Parker Solar Probe, che studia la scala e la forma dei campi elettrici e magnetici. Dal punto di vista di Parker a 24 milioni di km dal Sole, ha spiegato Bale, il vento solare è molto più impulsivo e instabile di quello che vediamo vicino alla Terra.

Come il Sole, il vento solare è costituito da plasma, dove gli elettroni caricati negativamente si sono separati da ioni caricati positivamente, creando un mare di particelle fluttuanti libere con carica elettrica individuale. Queste particelle fluttuanti significano che il plasma trasporta campi elettrici e magnetici e i cambiamenti nel plasma spesso fanno segni su quei campi. Gli strumenti FIELDS hanno esaminato lo stato del vento solare misurando e analizzando attentamente come i campi elettrici e magnetici attorno all’astronave sono cambiati nel tempo, insieme alla misurazione delle onde nel plasma vicino.

Un tipo di evento in particolare ha attirato l’attenzione delle squadre scientifiche: capovolge nella direzione del campo magnetico, che fuoriesce dal Sole, incorporato nel vento solare. Queste inversioni, chiamate “switchbacks“, durano da pochi secondi a diversi minuti mentre passano sopra la sonda solare Parker. Durante una commutazione, il campo magnetico si sposta indietro su se stesso fino a quando non viene puntato quasi direttamente al Sole. Insieme, FIELDS e SWEAP, la suite di strumenti guidata dall’Università del Michigan e gestita dall’Osservatorio Astrofisico Smithsonian, hanno misurato gruppi di tornanti nei primi due flybys della Parker Solar Probe.

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez

Queste misurazioni hanno mostrato inversioni rapide nel campo magnetico e getti improvvisi di materiale in rapido movimento, tutte caratteristiche che rendono il vento solare più turbolento. Questi dettagli sono fondamentali per capire in che modo il vento disperde l’energia mentre fluisce lontano dal sole e attraverso il sistema solare.

Le onde sono state osservate nel vento solare dall’inizio dell’era spaziale e abbiamo ipotizzato che più vicine al Sole le onde sarebbero diventate più forti, ma non ci aspettavamo di vederle organizzate in questi picchi di velocità strutturati e coerenti“, ha detto Justin Kasper, investigatore principale di SWEAP – acronimo di Solar Wind Electrons Alphas and Protons — presso l’Università del Michigan ad Ann Arbor. “Stiamo rilevando i resti di strutture del Sole che vengono scagliate nello spazio e cambiano violentemente l’organizzazione dei flussi e del campo magnetico. Questo cambierà drasticamente le nostre teorie su come la corona e il vento solare vengono riscaldati“.

Piegamenti nel campo magnetico

La fonte esatta dei cambi non è ancora stata compresa, ma le misurazioni della sonda solare Parker hanno permesso agli scienziati di restringere le possibilità.

Tra le molte particelle che scorrono perpetuamente dal Sole vi sono un fascio costante di elettroni in rapido movimento, che corrono lungo le linee del campo magnetico del Sole verso il sistema solare. Questi elettroni scorrono sempre rigorosamente lungo la forma delle linee di campo che si spostano dal Sole, indipendentemente dal fatto che il polo nord del campo magnetico in quella particolare regione stia puntando verso o lontano dal Sole. 

Ma la sonda solare Parker ha misurato questo flusso di elettroni che vanno nella direzione opposta (tornando indietro verso il Sole) – dimostrando che il campo magnetico stesso deve flettersi di nuovo verso il Sole, piuttosto che la Parker stia semplicemente incontrando una diversa linea di campo magnetico dal Sole che punta nella direzione opposta. Ciò suggerisce che i tornanti sono piegamenti nel campo magnetico: disturbi localizzati che si allontanano dal Sole.

Le osservazioni di Parker Solar Probe sui tornanti suggeriscono che questi eventi diventeranno ancora più comuni man mano che la sonda si avvicina al Sole. Il prossimo incontro solare della missione, il 29 gennaio 2020, porterà il veicolo spaziale più vicino al Sole che mai, e potrebbe far luce su questo processo. Tali informazioni non solo aiutano a cambiare la nostra comprensione di ciò che provoca il vento solare e il tempo spaziale che ci circonda, ma ci aiutano anche a comprendere un processo fondamentale di come funzionano le stelle e di come rilasciano energia nel loro ambiente.

Il vento solare rotante

Alcune delle misurazioni della sonda solare Parker stanno aiutando gli scienziati a rispondere a domande vecchie di decenni. Una di queste domande riguarda come, esattamente, il vento solare fuoriesca dal sole.

Vicino alla Terra, vediamo il vento solare che scorre quasi radialmente, il che significa che scorre direttamente dal Sole, in tutte le direzioni. Ma il Sole ruota mentre rilascia il vento solare; prima che si liberasse, il vento solare ruotava con esso. È un po ‘come i bambini che cavalcano su una giostra di un parco giochi: l’atmosfera ruota con il Sole proprio come ruota la parte esterna della giostra, ma più vai lontano dal centro, più velocemente ti muovi nello spazio. Un bambino sul bordo potrebbe saltare e, a quel punto, si sposterebbe in linea retta verso l’esterno, invece di continuare a ruotare. In modo simile, c’è un punto tra il Sole e la Terra, il vento solare passa dalla rotazione insieme al Sole al flusso diretto verso l’esterno o radialmente, come vediamo dalla Terra.

Esattamente dove il vento solare passa da un flusso rotazionale a un flusso perfettamente radiale ha implicazioni su come il Sole perde energia. Trovare quel punto può aiutarci a comprendere meglio il ciclo di vita di altre stelle o la formazione di dischi protoplanetari, i densi dischi di gas e polvere attorno alle giovani stelle che alla fine si fondono in pianeti.

Ora, per la prima volta, anziché semplicemente vedere quel flusso diretto che vediamo vicino alla Terra, la sonda solare Parker è stata in grado di osservare il vento solare mentre stava ancora ruotando. È come se la Parker avesse visto, non solo i bambini che la saltavano giù, ma anche e per la prima volta direttamente la giostra che ruota.

Lo strumento eolico solare di Parker Solar Probe ha rilevato una rotazione a partire da oltre 32 milioni di km dal Sole e mentre Parker si avvicinava al suo punto di perielio, la velocità della rotazione aumentava. La forza della circolazione era più forte di quanto molti scienziati avessero previsto, ma è anche passata più rapidamente di quanto previsto a un flusso verso l’esterno, che è ciò che aiuta a mascherare questi effetti da dove normalmente ci troviamo, a circa 144 milioni di km dal Sole.

Il grande flusso rotazionale del vento solare visto durante i primi incontri è stata una vera sorpresa“, ha detto Kasper. “Mentre speravamo di vedere un movimento di rotazione più vicino al Sole, le alte velocità che stiamo vedendo in questi primi incontri sono quasi dieci volte più grandi di quanto previsto dai modelli standard“.

Polvere vicino al sole

Un’altra domanda che si avvicina a una risposta è la sfuggente zona priva di polvere. Il nostro sistema solare è inondato di polvere: le polveri cosmiche di collisioni che hanno formato pianeti, asteroidi, comete e altri corpi celesti miliardi di anni fa. Gli scienziati hanno da tempo sospettato che, vicino al Sole, questa polvere sarebbe stata riscaldata a temperature elevate da una forte luce solare, trasformandola in un gas e creando una regione priva di polvere attorno al Sole. Ma nessuno l’aveva mai osservata.

Per la prima volta, gli imager di Parker Solar Probe hanno visto la polvere cosmica iniziare a diradarsi. Poiché il WISPR – lo strumento di imaging della sonda solare Parker, guidato dal laboratorio di ricerca navale – guarda fuori dal lato del veicolo spaziale, può vedere ampie strisce della corona e del vento solare, comprese le regioni più vicine al sole. Queste immagini mostrano che la polvere inizia a diradarsi a poco più di 11 milioni di km dal Sole, e questa diminuzione della polvere continua costantemente agli attuali limiti delle misurazioni del WISPR a poco più di 6 milioni di km dal Sole.

Questa zona priva di polvere è stata prevista decenni fa, ma non è mai stata vista prima“, ha dichiarato Russ Howard, investigatore principale della suite WISPR – acronimo di Wide-field Imager for Solar Probe – presso il Naval Research Laboratory di Washington, DC ” Ora vediamo cosa sta succedendo alla polvere vicino al Sole“.

Al ritmo del diradamento, gli scienziati si aspettano di vedere una zona veramente priva di polvere a poco più di 3-4 milioni di km dal Sole, il che significa che la sonda solare Parker potrebbe osservare la zona priva di polvere già nel 2020, quando il suo sesto sorvolo del Sole la porterà più vicino alla nostra stella che mai.

Mettere il tempo spaziale al microscopio

Le misurazioni della sonda solare Parker ci hanno dato una nuova prospettiva su due tipi di eventi meteorologici spaziali: tempeste di particelle energetiche ed espulsioni di massa coronale.

Piccole particelle – sia elettroni che ioni – sono accelerate dall’attività solare, creando tempeste di particelle energetiche. Gli eventi sul Sole possono far esplodere queste particelle nel sistema solare quasi alla velocità della luce, il che significa che raggiungono la Terra in meno di mezz’ora e possono avere un impatto su altri mondi su scale temporali altrettanto brevi. Queste particelle trasportano molta energia, quindi possono danneggiare l’elettronica dei veicoli spaziali e persino mettere in pericolo gli astronauti, specialmente quelli nello spazio profondo, al di fuori della protezione del campo magnetico terrestre e il breve tempo di preavviso per tali particelle li rende difficili da evitare.

Comprendere esattamente come queste particelle vengono accelerate a velocità così elevate è cruciale. Ma anche se si avvicinano alla Terra in meno di pochi minuti, è sufficienteo per le particelle di perdere le firme dei processi che le hanno accelerate. Sfrecciando vicino al Sole a pochi milioni di km di distanza, la Parker può misurare queste particelle subito dopo aver lasciato il Sole, fornendo nuove informazioni su come vengono rilasciate.

Gli strumenti ISʘIS di Parker Solar Probe, guidati dall’Università di Princeton, hanno già misurato diversi eventi energetici con particelle mai viste prima, eventi così piccoli che perdono tutte le loro tracce prima che raggiungano la Terra o uno dei nostri satelliti vicini alla Terra. Questi strumenti hanno anche misurato un raro tipo di esplosione di particelle con un numero particolarmente elevato di elementi più pesanti, suggerendo che entrambi i tipi di eventi potrebbero essere più comuni di quanto gli scienziati pensassero in precedenza.

È incredibile – anche alle condizioni minime solari – il Sole produce molti più piccoli eventi energetici di particelle di quanto non avessimo mai pensato“, ha dichiarato David McComas, investigatore principale per la ricerca scientifica integrata della suite Sun, o ISʘIS, presso la Princeton University nel New Jersey. “Queste misurazioni ci aiuteranno a svelare le fonti, l’accelerazione e il trasporto di particelle energetiche solari e, in definitiva, a proteggere meglio i satelliti e gli astronauti in futuro“.

Credits: ESA/NASA/SOHO

I dati provenienti dagli strumenti WISPR hanno anche fornito dettagli senza precedenti sulle strutture della corona e del vento solare, tra cui espulsioni di massa coronale, nuvole di miliardi di tonnellate di materiale solare che il Sole invia precipitando nel sistema solare . I CME possono innescare una serie di effetti sulla Terra e su altri mondi, dalle scintillanti aurore all’induzione di correnti elettriche che possono danneggiare le reti elettriche e le condutture. La prospettiva unica del WISPR, guardando accanto a quegli eventi mentre si allontanano dal Sole, ha già gettato nuova luce sulla gamma di eventi che la nostra stella può scatenare.

Abbiamo potuto osservare il deflusso di materiale per giorni e vedere l’evoluzione delle strutture“, ha affermato Howard. “Le osservazioni dalla Terra ci hanno fatto pensare che le strutture sottili nella corona seguano un flusso regolare e stiamo scoprendo che non è vero. Questo ci aiuterà a capire meglio come questi flussi viaggiano tra il Sole e la Terra“.

Mentre Parker Solar Probe continua il suo viaggio, farà 21 approcci più vicini al Sole a distanze progressivamente più vicine, culminando in tre orbite a soli 3,83 milioni di miglia dalla superficie solare.

Il Sole è l’unica stella che possiamo esaminare da vicino“, ha detto Nicola Fox, direttore della divisione di eliofisica presso la sede della NASA. “Ottenere i dati alla fonte sta già rivoluzionando la nostra comprensione della nostra stella e delle stelle in tutto l’universo. Il nostro piccolo veicolo spaziale sta combattendo in condizioni brutali per inviare a casa sorprendenti ed emozionanti rivelazioni“.

I dati dei primi due incontri solari di Parker Solar Probe sono disponibili al pubblico online .

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.

Citazioni e Approfondimenti

  • Highly structured slow solar wind emerging from an equatorial coronal holeNature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1818-7, https://nature.com/articles/s41586-019-1818-7
  • Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1813-z , https://nature.com/articles/s41586-019-1813-z
  • Probing the energetic particle environment near the SunNature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1818-7 , https://nature.com/articles/s41586-019-1811-1
  • Near-Sun observations of an F-corona decrease and K-corona fine structureNature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1818-7 , https://nature.com/articles/s41586-019-1807-x
  • Nature