Sono le tempeste solari a innescare l’affascinante fenomeno dell’aurora polare. Crediti: Davide Coero Borga

È un fenomeno del tutto controintuitivo e, al momento, privo di una spiegazione. Sembra che nel corso delle tempeste solari, quando grandi quantità di plasma altamente ionizzato infrangono lo “scudo” del campo magnetico terrestre e si infilano nella ionosfera, gli elettroni presenti in atmosfera scompaiono misteriosamente in porzioni di cielo considerevoli (fra i 500 e 1000 chilometri di raggio). È quanto riporta uno studio condotto dalla Technical University di Danimarca insieme alle università di New Brunswick, il NASA Jet propulsion laboratory e l’università dell’Illinois, appena pubblicato sulla rivista Radio Science.

Quando si verifica un’eruzione sulla superficie del Sole, sappiamo che una nube di particelle elettricamente carica s’invola nello spazio in direzione Terra, dando vita a una vigorosa tempesta solare che (non tutto il male viene per nuocere) può anche innescare l’affascinante fenomeno dell’aurora boreale sulla regione artica.

La tempesta potrebbe però avere anche un forte impatto sull’efficienza dei sistemi di comunicazione e di navigazione a quelle latitudini. E per questo motivo è così importante studiare e comprendere sempre meglio questo genere di eventi.

Durante le tempeste solari, il plasma altamente ionizzato espulso dalla nostra stella riesce a penetrare la parte alta dell’atmosfera terrestre, detta ionosfera, a circa 80 chilometri dalla superficie del pianeta. Questo fenomeno si verifica principalmente ad alte latitudini, dove il campo magnetico è più sottile: particelle ed elettroni filtrano l’atmosfera anziché venire riflessi come succede normalmente. È un evento comune e che gli astrofisici hanno imparato a conoscere bene.

La notizia qui è un’altra, ovvero la misteriosa scomparsa di cariche negative da grandi regioni del cielo prossime al fenomeno. Mai registrata precedentemente.

«Abbiamo effettuato ampie misurazioni in corrispondenza di una tempesta solare che ha colpito la regione artica nel 2014: sorprendentemente, in un’area estesa fra i 500 e i 1000 chilometri situata a sud di una delle zone di sovraccarico elettrico e che gli scienziati chiamano patch, gli elettroni presenti in atmosfera sono stati misteriosamente risucchiati via, come da un potentissimo aspirapolvere», spiega Per Høeg della Technical University di Danimarca.

«Non potevamo prevedere qualcosa di simile. E anche ora che i dati ci mostrano questo bizzarro fenomeno, non abbiamo una spiegazione valida per descrivere perché sia avvenuto».

Una risposta agli interrogativi aperti va forse cercata nei processi geomagnetici che interessano il campo magnetico terrestre nella parte meno esposta all’eruzione solare, quella più distante dalla nostra stella.

«Il nostro lavoro può contribuire a rendere più sicura la navigazione nel corso delle tempeste ionosferiche che interessano la regione artica. Identificando i fattori critici che influenzano la qualità della navigazione satellitare ci consente progettare tecnologie capaci di gestire al meglio la situazione di emergenza e valutare la probabilità che si presentino», conclude Høeg.

Per saperne di più:

• Leggi su Radio Science l’articolo “Multiinstrument observations of a geomagnetic storm and its effects on the Arctic ionosphere: A case study of the 19 February 2014 storm“, di Tibor Durgonics, Attila Komjathy, Olga Verkhoglyadova, Esayas B. Shume, Hans-Henrik Benzon, Anthony J. Mannucci, Mark D. Butala, Per Høeg e Richard B. Langley

La sonda Sdo (Solar Dynamics Obersavatory) della Nasa osserva il Sole attentamente e senza sosta dal 2010. Due giorni fa ha assistito allo spettacolo di ben 3 brillamenti solari in 30 ore. Si tratta di esplosioni di radiazioni che si verificano sulla superficie della nostra stella madre, quando l’intreccio dei campi magnetici si riorganizza in maniera improvvisa ed esplosiva. Sono talmente potenti che le radiazioni arrivano fino sulla Terra, ma vengono schermate dalla nostra spessa atmosfera. Anche se effettivamente non sono nocive per l’uomo o per gli altri esseri viventi, le radiazioni solari creano parecchi problemi con i sistemi Gps e di comunicazione satellitare in generale.

Il primo flare (così si chiamano in inglese) è apparso alle 10:02 (ora italiana) di domenica 2 aprile e il secondo dopo pochi minuti, alle 10:33. Il terzo, invece, si è fatto attendere fino alle 16:29 di lunedì 3 aprile. I tre eventi sono stati “fotografati” dal telescopio spaziale Sdo e sono tutti di classe media: rispettivamente M5.3, M5.7 e M5.8. La classe M è circa un decimo della classe X (che sta per Extreme, estremo), cioè la più intensa per classificare i brillamenti solari.

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Il telescopio spaziale Sdo della Nasa ha catturato questa immagine del Sole lo scorso 2 aprile alle 10:02 (ora italiana) mentre era in corso un potente brillamento solare (il flash luminoso vicino al bordo superiore destro della nostra stella madre). La luce ultravioletta evidenzia il materiale estremamente caldo che sta fuoriuscendo dal Sole. Crediti: NASA/SDO

Per saperne di più:

• Per vedere come questo evento può influenzare la Terra, visita il sito Space Weather Prediction Center del NOAA
• Il sito del progetto SDO

Il satellite della Nasa Solar Dynamics Observatory ha catturato questo brillamento solare di classe X il 15 febbraio 2011. Crediti: NASA’s Goddard Space Flight Center/SDO

Nonostante la distanza che ci separa dal Sole, l’attività superficiale della nostra stella madre può avere effetti anche sul nostro pianeta. Il monitoraggio costante è il segreto per non arrivare impreparati. Gli esperti controllano il Sole di continuo con numerosi strumenti della Nasa, come il Solar Dynamics Observatory (Sdo) e il Geostationary Operational Environmental Satellite (Goes), e di recente due gruppi di ricercatori hanno osservato come i brillamenti solari più potenti mostrino degli impulsi o delle oscillazioni nell’emissione elettromagnetica, e in particolare quella ultravioletta. Come si formano questi brillamenti? Quanto influiscono sullo spazio circostante? Le oscillazioni arrivano anche sulla Terra?

Il primo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal e descrive le impreviste oscillazioni registrate durante un brillamento del 15 febbraio 2011. Si tratta di un brillamento di classe X, il tipo più potente di queste intense esplosioni, e dato che già all’epoca gli scienziati avevano più strumenti di osservazione, sono stati in grado di tracciare le oscillazioni nella radiazione del brillamento confrontando i dati di diverse osservazioni.

Per provare che i dati sugli impulsi raccolti dallo strumento Goes della Nasa fossero corretti, gli esperti hanno fatto un controllo incrociato utilizzando anche il satellite Sdo, che osserva la luce e le radiazioni solari a diverse lunghezze d’onda. Cosa ci dicono del Sole queste oscillazioni? «Qualsiasi tipo di oscillazione sul Sole può raccontarci molto sull’ambiente in cui si stanno verificando le emissioni», ha dichiarato il primo autore dello studio, Ryan Milligan, fisico presso il Goddard Space Flight Center della Nasa e autore dello studio. «In questo caso, gli impulsi regolari di luce ultravioletta indicavano disturbi – simili a terremoti – che si stavano propagando attraverso la cromosfera, la base dell’atmosfera esterna del Sole, durante il brillamento». Milligan ha aggiunto: «I brillamenti sono molto localizzate, per cui è difficile rilevare le oscillazioni» isolandole dal rumore di fondo delle emissioni regolari del Sole.

Sappiamo già che queste potenti emissioni potrebbero essere nocive per l’uomo se non fossimo difesi dal campo magnetico terrestre. Tuttavia – se abbastanza intensi – possono disturbare il segnale dei satelliti che si trovano nell’orbita geostazionaria, quella dedicata alle comunicazioni. E proprio nel secondo studio, pubblicato questa volta su Journal of Geophysical Research: Space Physics, gli esperti hanno approfondito la connessione tra i brillamenti solari e la ionosfera, cioè lo strato “elettrificato” dell’atmosfera terrestre. In particolare, i fisici solari hanno studiato il brillamento di classe C (100 volte più debole di quello di classe X) del 24 luglio 2016 le cui oscillazioni sono arrivate fino alla regione D della ionosfera, cioè quella che reagisce con lo spazio circostante (radiazioni solari e altro).

La prima autrice di questo secondo lavoro, Laura Hayes del Trinity College di Dublino, ha spiegato che la regione D della ionosfera «influenza le comunicazioni e i segnali di navigazione. I segnali attraversano la regione D e le variazioni nella densità dell’elettrone influenzano l’assorbimento del segnale». Cosa vuole dire? I brillamenti solari, e ogni altro evento violento proveniente dal Sole, influisce in modo significativo sulle comunicazioni terrestri. Gli scienziati hanno utilizzato i dati provenienti da segnali radio a frequenza molto bassa per sondare gli effetti dei brillamenti sulla ionosfera: monitorando il modo in cui i segnali a bassa frequenza si propagano da un capo all’altro della ionosfera, gli scienziati possono mappare le variazioni della densità degli elettroni. Unendo questi dati a quelli raccolti da Goes e Sdo, i fisici hanno trovato che la densità degli elettroni della regione D “pulsava” in base alle oscillazioni provenienti dal Sole durante i brillamenti.

Hayes ha aggiunto: «Questo è un risultato emozionante, perché ci mostra che l’atmosfera terrestre è più legata alla variabilità dei raggi X solari di quanto si pensasse in precedenza. Ora abbiamo intenzione di esplorare ulteriormente questo rapporto dinamico tra il Sole» e la ionosfera.

Per saperne di più:

• Leggi suThe Astrophysical Journal l’articolo “Detection of Three-minute Oscillations in Full-disk Lyα Emission during a Solar Flare”, di Ryan O. Milligan et al.
• Leggi suJournal of Geophysical Research: Space Physics l’articolo “Pulsations in the Earth’s Lower Ionosphere Synchronized With Solar Flare Emission”, di Laura A. Hayes et al.

Secondo i ricercatori del Cnrs francese, dell’École Polytechnique, del Cea e dell’Inria, un solo fenomeno potrebbe essere alla base di tutte le eruzioni solari. Lo studio, presentato in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature, è così importante da essersi guadagnato la copertina. Gli scienziati coinvolti nella ricerca hanno identificato la presenza di una gabbia di confinamento all’interno della quale si forma una specie di corda, o treccia magnetica, responsabile delle eruzioni solari (flare, o brillamenti solari). La resistenza di questa gabbia all’attacco della corda magnetica determina la potenza e il tipo di flare che si viene a verificare. Con questo lavoro i ricercatori hanno sviluppato un modello in grado di prevedere l’energia massima che può essere rilasciata durante un brillamento solare, che potrebbe potenzialmente avere conseguenze devastanti per la Terra.

Proprio come avviene sulla Terra, anche l’atmosfera del Sole è spazzata da tempeste e uragani. Sul Sole questi fenomeni sono causati da un improvviso e violento cambiamento del campo magnetico, e sono caratterizzati da un intenso rilascio di energia sotto forma di luce, emissione di particelle e, a volte, dall’espulsione di bolle di plasma. Studiare questi fenomeni, che si svolgono nella corona solare (la regione più esterna), consente agli scienziati di mettere a punto modelli in grado di prevederli, proprio come avviene per il meteo sulla Terra. Acquisire la capacità di prevedere eruzioni solari importanti dovrebbe limitare la nostra conseguente vulnerabilità tecnologica, che potrebbe avere un impatto su vari settori come, ad esempio, la distribuzione dell’elettricità, i Gps e sistemi di comunicazione in generale.

Nel 2014 i ricercatori avevano dimostrato che, nei giorni precedenti a un brillamento solare, appariva gradualmente una struttura caratteristica: un intreccio di linee di forza magnetiche attorcigliate insieme come i fili di una corda di canapa. Tuttavia, fino a poco tempo fa, queste strutture si erano osservate esclusivamente in eruzioni che portavano all’espulsione di una bolla di plasma. In questo nuovo studio, i ricercatori hanno studiato altri tipi di flare, i cui modelli sono ancora in discussione, facendo un’analisi più approfondita della corona solare, una regione dell’atmosfera del Sole talmente sottile e calda da rendere difficile una misura del campo magnetico. Gli autori sono stati in grado di misurare il campo magnetico più forte sulla superficie del Sole e, usando questi dati, hanno ricostruito quello che stava accadendo nella corona solare. Hanno poi applicato questo metodo a un grande flare che si è sviluppato in poche ore il 24 ottobre 2014, dimostrando che, nelle ore precedenti l’eruzione, la corda in evoluzione era confinata all’interno di una gabbia magnetica a più strati. Applicando i modelli evolutivi studiati a simulazioni effettuate su un super-computer, hanno dimostrato che la corda, in quel caso, non aveva un’energia sufficiente per sfondare tutti gli strati della gabbia, rendendo impossibile l’espulsione di una bolla magnetica. Nonostante questo, l’elevata torsione della corda ha innescato un’instabilità e la parziale distruzione della gabbia stessa, causando una potente emissione di radiazioni che ha portato ai disservizi riscontrati sulla Terra.

Gabbia e corda magnetica nella formazione di un’eruzione solare. Crediti: Nature

Grazie al loro metodo, che consente di individuare e monitorare i processi che si svolgono nelle ultime ore precedenti al flare, i ricercatori hanno sviluppato un modello in grado di prevedere la massima energia che può essere rilasciata dalla regione interessata. Il modello ha mostrato che nell’eruzione del 2014, se la gabbia non fosse stata così resistente, si sarebbe verificata un’enorme espulsione di plasma. Lo studio pubblicato oggi dimostra il ruolo cruciale svolto dal binomio magnetico “gabbia-corda” nel controllo delle eruzioni solari e, oltre a costituire un grande passo avanti verso la previsione di tali eruzioni, potrebbe avere un impatto sociale potenzialmente significativo. Per capire meglio quest’ultimo aspetto, che ci riguarda da vicino, abbiamo chiesto alcune delucidazioni a Salvo Guglielmino, fisico solare all’Università di Catania e associato Inaf.

Quanti flare potenzialmente pericolosi per la Terra si sviluppano sulla superficie del Sole in un giorno?

«I flare potenzialmente pericolosi per la Terra sono quelli di classe M e X, secondo la classificazione attualmente in uso che è basata sull’emissione nei raggi X. Si può dire in generale che quelli più pericolosi siano quelli di classe X. In realtà, a determinare la pericolosità non è solo la classe, ma anche la configurazione magnetica della nube di plasma eiettata nello spazio interplanetario, detta Coronal Mass Ejection (Cme), di solito associata a questi flare più energetici: può accadere quindi che un flare M (più debole) emetta un Cme con effetti sulla Terra (tempeste magnetiche) più importanti rispetto a un flare X (più forte). Quanti di questi eventi si possono verificare in un giorno? Non c’è in effetti un limite teorico: essi si sviluppano sulle regioni attive, a seguito di conversione di energia magnetica in energia cinetica (accelerazione di particelle) e termica, tramite riconnessione magnetica. In ciascuna regione attiva, quindi, occorre nella maggior parte dei casi un po’ di tempo (da ore a giorni) per “ricaricare” energia magnetica sufficiente per generare un altro flare. I flare X avvengono quindi dopo un certo periodo in cui l’energia magnetica si è accumulata, e sono spesso seguiti da flare più deboli (classi C e M), piuttosto che da un altro flare X. O viceversa, dopo una serie di eventi minori c’è un grande flare X. Diciamo che c’è una qualche analogia con i terremoti sulla Terra. D’altra parte, il numero di regioni attive può essere elevato nei periodi di massimo di attività solare, per cui in ciascuna di esse possono avere luogo flare X, in maniera indipendente dalle altre regioni attive, in base alla configurazione magnetica più o meno complessa di ciascuna».

Quanti eventi pericolosi si sono verificati in passato?

Flare del 31 agosto 2012. La coronal mass ejection ha viaggiato a oltre 1500 km al secondo, causando le aurore boreali del 3 settembre. Crediti: Nasa/Gsfc/Sdo

«Negli ultimi 20 anni sono stati registrati solo una decina di eventi di classe X10 (cioè circa 10 volte più potenti di un flare X), di cui solo uno nel ciclo attuale, il 24, nello scorso settembre 2017 (erano più di 10 anni che non accadeva). Questi flare sono quelli reputati più pericolosi, perché ovviamente più energetici. Di flare X “normali”, diciamo che è molto raro dal punto di vista statistico che ne avvengano più di 10-15 al giorno (su tutto il disco) nel periodo di massimo».

Conoscere con qualche ora di anticipo quando si verificherà un flare, e con che potenza, come ci aiuta?

«Se sappiamo con qualche ora di anticipo quando avverrà un flare, e quindi il possibile arrivo di una tempesta geomagnetica determinata dal Cme associato, ci sono dei vantaggi per la sicurezza. Per esempio, si sa che le particelle accelerate dai flare possono provocare radiazioni ionizzanti nell’alta atmosfera in prossimità delle regioni polari della Terra, dove il campo magnetico terrestre esercita una minore azione schermante. Pertanto, i passeggeri e l’equipaggio degli aeromobili che si trovassero in volo nelle regioni polari, tipicamente previste per le rotte intercontinentali a lungo raggio, riceverebbero una dose di radiazioni ionizzanti pari a decine, se non centinaia, di radiografie durante un unico volo. Il sapere con anticipo che un flare potenzialmente “pericoloso” sta per avere luogo può portare a una riprogrammazione accurata delle rotte dei voli. Similmente, il sistema di localizzazione Gps viene disturbato dalle particelle in arrivo, determinando errori di posizione fino a qualche centinaio di metri. Nelle rotte navali e aeree, questi errori possono essere tempestivamente corretti tramite navigazione assistita con radiofaro e altri accorgimenti, e conoscere in anticipo la possibilità che questi problemi possano verificarsi aiuta una gestione migliore delle emergenze. Ecco, questi sono solo alcuni degli esempi possibili, ma probabilmente quelli che hanno un maggior impatto sulla popolazione».

Per saperne di più:

• Leggi su Nature l’articolo “Magnetic cage and rope as the key for solar eruptions“, di Tahar Amari, Aurélien Canou, Jean-Jacques Aly, Francois Delyon e Fréderic Alauzet

Illustrazione raffigurante il disco solare primordiale. Nell’inserto un cristallo di hibonite blu, uno dei primi minerali a formarsi nel Sistema solare. Crediti: Field Museum, University of Chicago, Nasa, Esa, and E. Feild (STScl)

Nato 4.6 miliardi di anni fa, conosciamo il Sole come una stella matura e calma. Ma i suoi primi anni rimangono un mistero. Poiché la Terra si è formata circa 50 milioni di anni dopo, è difficile trovare residui di quei primi giorni del nostro angolo di universo, in grado di raccontarci qualcosa di un giovane Sole.

Ma un nuovo studio, pubblicato su Nature Astronomy, ci racconta di un Sole neonato irrequieto, grazie all’analisi di microscopici cristalli blu ghiaccio intrappolati in antiche meteoriti. «Questi cristalli si sono formati oltre 4.5 miliardi di anni fa e conservano la registrazione di alcuni dei primi eventi che hanno avuto luogo nel nostro Sistema solare, e anche se sono così piccoli – molti hanno diametro inferiore ai 100 micron – erano ancora in grado di mantenere questi gas nobili altamente volatili che sono stati prodotti attraverso l’irradiazione dal giovane Sole tanto tempo fa», dice Levke Kööp, postdoc dell’Università di Chicago affiliata al Field Museum, autrice principale dello studio.

Un minuscolo cristallo di hibonite blu proveniente dal meteorite Murchison. Crediti: Andy Davis, University of Chicago

I cristalli sono contenuti in minerali noti come hibonite, la cui composizione reca segni distintivi di reazioni chimiche che si potevano verificare solo se il giovane Sole avesse emesso molte particelle energetiche. Prima della formazione dei pianeti, il Sole era circondato da un enorme disco di gas e polveri che gli spiraleggiava intorno e la cui regione più vicina era molto, molto calda: più di 1500°C ( per confronto, il pianeta più caldo nel Sistema solare oggi, Venere, raggiunge in superficie solo 467°C, comunque sufficienti a sciogliere il piombo). Quando il disco si raffreddò, i primi minerali cominciarono a formarsi: cristalli di hibonite blu. «I grani minerali più grandi delle antiche meteoriti sono solo alcune volte il diametro di un capello umano. Quando guardiamo una pila di questi granelli al microscopio, i grani di hibonite si distinguono come piccoli cristalli blu chiaro: sono piuttosto belli», commenta Andy Davis, coautore dello studio, anch’egli affiliato al Field Museum e all’Università di Chicago. Questi cristalli contengono elementi come calcio e alluminio.

«Quasi nulla nel Sistema solare è abbastanza vecchio da confermare davvero l’attività del primo Sole, ma questi minerali provenienti dalle meteoriti nelle collezioni del Field Museum sono sufficientemente antichi: sono probabilmente i primi minerali che si sono formati nel Sistema solare», aggiunge Philipp Heck, curatore del Field Museum e professore all’Università di Chicago, che ha lavorato allo studio.

Quando i cristalli si erano appena formati, il giovane Sole continuava a emettere flare, sparando nello spazio protoni e altre particelle subatomiche. Alcune di queste particelle investivano i cristalli di hibonite e quando i protoni colpivano gli atomi di calcio e di alluminio al loro interno, gli atomi si dividevano in atomi più piccoli: neon ed elio. Tali gas nobili sono rimasti intrappolati all’interno dei cristalli per miliardi di anni e i cristalli a loro volta sono finiti inglobati in rocce che alla fine sono cadute sulla Terra come meteoriti.

Levke Kööp, l’autrice principale, in laboratorio. Crediti: Field Museum

Qui, gli scienziati nel tempo hanno esaminato le meteoriti alla ricerca dei segni di un giovane Sole attivo, ma non trovando nulla. Osserva però Kööp: «Se le persone in passato non li hanno visti, questo non significa che non fossero lì, potrebbe semplicemente indicare che non avessero strumenti abbastanza sensibili per trovarli». Lo strumento a disposizione di Kööp, Heck e colleghi, infatti, ha fatto la differenza: uno spettrometro di massa all’avanguardia, grande come un garage, in grado di  rilevare l’elio e il neon rilasciati da un grano di hibonite colpito da un laser. «Abbiamo ottenuto un segnale sorprendentemente ampio, che mostra chiaramente la presenza di elio e neon: è stato stupendo», afferma Kööp.

Il rilevamento di elio e neon fornisce la prima prova concreta dell’attività precoce del Sole. «Sarebbe come se conoscessi qualcuno come un adulto calmo – avresti ragione di credere che una volta fosse un bambino attivo, ma non avresti nessuna prova. Se potessi però andare nella sua soffitta e trovare i suoi vecchi giocattoli rotti e libri con pagine strappate, sarebbe la prova che quella persona una volta era un bambino decisamente agitato», dice Heck, e aggiunge: «Il Sole era molto attivo nei suoi primi anni di vita, aveva più eruzioni ed emetteva un flusso più intenso di particelle cariche. Mi ricorda mio figlio, ha tre anni ed è veramente iperattivo».

«Oltre a trovare finalmente prove chiare nelle meteoriti che i materiali del disco furono irradiati direttamente, i nostri nuovi risultati indicano che i materiali più antichi del Sistema solare hanno subito una fase di irradiazione che invece quelli più giovani hanno evitato. Pensiamo che ciò significhi che un grande cambiamento accadde nel Sistema solare in formazione dopo che l’hibonite si era costituita; forse l’attività del Sole diminuì, o forse i materiali formatisi più tardi non furono in grado di viaggiare verso le regioni del disco in cui era possibile l’irradiazione», spiega Kööp.

Diversamente da altri indizi della forte attività del Sole giovane rispetto a oggi, la composizione dei cristalli di hibonite non permette altre buone spiegazioni. «È sempre bello vedere un risultato che può essere interpretato chiaramente. Più semplice è una spiegazione, maggiore è la fiducia che abbiamo in essa», dichiara Heck, e conclude: «Ciò che ritengo eccitante è che questo ci parla delle condizioni nel Sistema solare primitivo, e infine conferma un sospetto di vecchia data. Se comprendiamo meglio il passato, acquisiremo una migliore comprensione della fisica e della chimica del nostro mondo naturale».

Per saperne di più:

• Leggi su Nature Astronomy l’articolo “High early solar activity inferred from helium and neon excesses in the oldest meteorite inclusions“, di L. Kööp, P. R. Heck, H. Busemann, A. M. Davis, J. Greer, C. Maden, M. M. M. Meier e R. Wieler. 

Il Sole ripreso dall’osservatorio spaziale SDO della NASA durante il brillamento di classe M7.6, visibile in basso a destra del disco solare. L’immagine è stata presa con un filtro nella banda della radiazione ultravioletta.
Crediti: NASA/SDO

Alle 16:58 ora italiana di ieri, il Sole ha emesso un brillamento di media potenza, ripreso in questa immagine dall’osservatorio spaziale della NASA SDO, Solar Dynamics Observatory, che osserva costantemente l’attività della nostra stella. I brillamenti solari sono violente emissioni di radiazioni che, quando incontrano la Terra, vengono assorbite dalla sua atmosfera, che ne annulla così i potenziali effetti dannosi sugli esseri viventi. Tuttavia, i brillamenti di potenza medio-alta possono recare disturbi, ad esempio, alle comunicazioni satellitari e ai segnali GPS. E così è accaduto ieri sopra i cieli del Sud America e dell’Oceano Atlantico, dove sono stati registrati brevi black-out radio.

L’intensità nei raggi X del brillamento di ieri, emesso dalla regione attiva denominata AR2422, è stata classificata come M7.6, un valore elevato ma inferiore agli eventi più violenti, a cui viene attribuita la lettera X (che sta per Extreme, estremo).

A sinistra: le osservazioni della sonda Hinode della JAXA mostrano lo sviluppo di una macchia solare. Una struttura brillante ed allungata, il ‘light bridge’, appare tra i due pori che si stanno fondenndo (le regioni più scure). A destra: la formazione di una macchia solare nella simulazione al computer realizzata dal team di Shin Toriumi. Crediti: NAOJ/JAXA/LMSAL/NASA

Quali sono i processi che portano alla formazione delle macchie solari e come si innescano i processi esplosivi ad esse legati, come ad esempio i brillamenti e le espulsioni di massa coronale? A queste domande prova a dare risposta il lavoro di Shin Toriumi, professore associato dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone e dei suoi collaboratori, basato su dati raccolti dalle sonde spaziali Hinode, Solar Dynamics Observatory (SDO), Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) e integrati da sofisticate simulazioni che hanno coinvolto il supercomputer Pleiades della NASA. Lo studio, in pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal, mette in evidenza la stretta relazione tra il magnetismo presente nelle zone interne del Sole, la formazione delle macchie sulla sua superficie e i processi dinamici che si sviluppano nell’atmosfera solare.

L’enorme messe di dati scientifici estremamente accurati raccolti negli ultimi anni dalle missioni spaziali dedicate allo studio del Sole ci sta dando una visione sempre più chiara di come i campi magnetici, responsabili della formazione delle macchie solari e delle più violente manifestazioni della nostra stella, si propaghino dall’interno fino alle regioni più esterne del Sole. Inizialmente, i campi magnetici che emergono per formare una macchia sono concentrati in zone relativamente piccole. A volte, quando due ‘proto macchie’ (che prendono il nome di pori, pores in inglese) si avvicinano, convogliano del plasma debolmente magnetizzato, così da formare una struttura allungata chiamata light bridge. Durante il processo che porta alla fusione dei pori, i light bridge si dissolvono e si viene a creare la vera e propria macchia solare. Questo turbolento processo porta alla produzione di getti di plasma ed esplosioni. I ricercatori hanno seguito l’evoluzione di questi processi di formazione delle macchie con le riprese dei telescopi spaziali e hanno ricostruito in dettaglio le strutture magnetiche dei pori e dei light bridge, così come i meccanismi che determinano le esplosioni e le emissioni dei getti.

Le osservazioni ad alta risoluzione dei campi magnetici superficiali solari effettuate da Hinode hanno messo in evidenza che i pori, durante la loro fusione, possiedono intensi campi magnetici orientati in senso verticale, mentre i light bridge mostrano la presenza di campi più deboli e disposti orizzontalmente. I dati provenienti da IRIS sulle proprietà dell’atmosfera al di sopra dei light bridge indicano poi l’innesco di una serie di eventi esplosivi come conseguenza del fenomeno della riconnessione magnetica. Ciò significa che i campi magnetici orizzontali dei light bridge si aprono ripetutamente e si riconnettono con quelli verticali dei pori circostanti.

Il team di Toriumi è poi passato a indagare i processi che guidano la formazione dei light bridge e il disallineamento dei loro campi magnetici rispetto a quelli ad essi circostanti. Per far questo hanno utilizzato sofisticate simulazioni numeriche utilizzando il supercomputer Pleiades della NASA. Il modello teorico ha permesso ai ricercatori di ricostruire le proprietà e le strutture osservate nella realtà, indicando che, quando durante la formazione di una macchia due flussi magnetici distinti si avvicinano, del plasma debolmente magnetizzato rimane intrappolato nel mezzo. Continuando l’avvicinamento, questo materiale viene compresso e genera il light bridge. Il suo campo magnetico è disallineato rispetto a quelli che lo circondano, e questa configurazione origina i fenomeni di riconnessione magnetica e quindi esplosioni ed eruzioni di plasma.

«Il lavoro di Toriumi e collaboratori mostra la valenza di un approccio combinato di osservazioni solari multibanda con sofisticate simulazioni magnetoidrodinamiche (MHD), in grado di riprodurre, entro certi limiti, ben identificati dagli autori, le configurazioni osservate. Lo studio della formazione e delle caratteristiche fisiche dei “ponti luminosi” (light bridge)», spiega Mauro Messerotti, fisico solare dell’INAF di Trieste, al quale abbiamo chiesto un commento, «è infatti un aspetto chiave nella comprensione della formazione delle macchie solari e dell’evoluzione della topologia magnetica fino alla riconnessione di campi di polarità opposte, che determina rilascio di energia e fenomeni di attività di vario tipo. Si aggiunge quindi un tassello metodologico importante nello studio dell’attività solare in fotosfera, poiché le simulazioni mirate consentono di render conto della fisica alla base di tali fenomeni».

«D’altra parte, come gli stessi autori mettono in evidenza, vi sono limitazioni interpretative imposte dalla tipologia del modello di simulazione», osserva Messerotti, «come anche dalla mancanza di dati sperimentali relativi ai campi magnetici ad altezze maggiori della fotosfera. Questo ci dà un’idea della complessità della fenomenologia e della fisica relativa e rende conto del fatto che il percorso verso un modello dettagliato dell’attività solare, in grado di consentire previsioni con un buon grado di affidabilità, è ancora molto lungo e comporta avanzamenti nella sofisticazione delle osservazioni solari da Terra e dallo spazio come anche delle tecniche di simulazione, che si auspica saranno disponibili sul medio termine».

Per saperne di più:

• leggi l’articolo “Light Bridge in a Developing Active Region. II. Numerical Simulation of Flux Emergence and Light Bridge Formation“, di Shin Toriumi, Mark C. M. Cheung e Yukio Katsukawa, accettato per la publbicazione sulla rivista The Astrophysical Journal

Il Sole illumina la stazione di ricerca NEEM nella Groenlandia settentrionale.
Photo by: Raimund Muscheler

Un team di ricercatori formato da scienziati delle Università svedesi di Lund e di Uppsala ha pubblicato su Nature Communications uno studio secondo il quale la terra sarebbe stata colpita più di mille anni fa da due tempeste solari di proporzioni catastrofiche.

Le tempeste solari sono legate alle eruzioni solari, che provocano l’emissione di grandi quantità di particelle. Se colpiscono la Terra tali particelle interagiscono con il campo magnetico terrestre che le guida verso le aree polari, in cui sono alla base di fenomeni spettacolari come le aurore boreali e australi. Negli ultimi anni la Terra è stata interessata da grandi tempeste solari, che nei casi più violenti hanno portano ad interruzioni nella distribuzione di corrente elettrica, come quella dell’ottobre 2003 in Svezia e del marzo 1989 in Canada. L’Ultimo “allarme” tempesta solare lo abbiamo avuto lo scorso 22 ottobre, quando il sole ha prodotto un lunghissimo brillamento, durato oltre tre ore. Allarme che fortunatamente si è concretizzato in nulla di più che qualche spettacolare fenomeno di aurora, visibile a chi si trovasse ai Poli.

Ma le tempeste solari di cui gli scienziati ora hanno ora trovato le tracce nei ghiacci estratti in Groenlandia e Antartide sono stati almeno dieci volte più grandi per intensità rispetto a quello osservato negli ultimi decenni. Dalle evidenze riscontrate i ricercatori giungono alla conclusione che i due eventi studiati sono stati di una potenza maggiore di quanto fino ad oggi si fosse ipotizzato tali fenomeni potessero giungere.

«Se eventi di questa intensità colpissero oggi il nostro pianeta avrebbero effetti devastanti sui nostri sistemi di comunicazione, sui satelliti e gli impianti elettrici» dice Raimund Muscheler del Dipartimento di Geologia dell’Università di Lund. I ricercatori di questo ateneo, insieme a colleghi dell’Università di Uppsala, così come ricercatori di Danimarca e Stati Uniti sono da tempo a “caccia” delle tracce lasciate dalle tempeste solari nei ghiacci della Groenlandia e dell’Antartide.

Alcuni anni fa i ricercatori hanno trovato tracce di un rapido aumento del carbonio radioattivo nei tronchi di alberi in corrispondenza di anelli risalenti al 774/775 e al 993/994 d.C., e le ragioni di tale innalzamento erano ancora non chiare e assai dibattute.

«Nello studio, che viene oggi pubblicato, abbiamo puntato a lavorare in modo sistematico per cercare di scoprire quale fosse la causa di tali eventi ed ora abbiamo l’evidenza dello stesso aumento di carbonio radioattivo nei campioni di ghiaccio corrispondenti agli stessi periodi storici. Grazie a questi nuovi dati è possibile stabilire che la causa di questo misterioso innalzamento del livello di carbonio radioattivo è stato proprio legato a due grandi tempeste solari», aggiunge Muscheler.

Impressione d’artista di una tempesta solare
Credits: Meteoweb

Lo studio, inoltre, fornisce per la prima volta una valutazione affidabile dei flussi di particelle legate a questi eventi, e Muscheler sottolinea l’importanza di questo dato per la futura pianificazione di sistemi elettronici affidabili: «Queste tempeste solari hanno di gran lunga superato ogni fenomeno analogo ad oggi noto e che si è potuto osservare e misurare sulla Terra. I risultati dovrebbero portare a una nuova valutazione dei rischi connessi con le tempeste solari», aggiunge Muscheler.

Su questo nuovo lavoro e sulle tempeste solari in generale abbiamo raccolto un commento di Mauro Messerotti, fisico solare dell’INAF presso l’Osservatorio Astronomico di Trieste.

«Le misure dirette dello spettro delle particelle energetiche solari che hanno dato origine ad impatti sul geospazio, ovvero sui sistemi tecnologici e biologici, sono relativamente recenti, poiché possibili solamente da osservatori spaziali in orbita nelle ultime decine di anni. Vi sono indicatori indiretti – come i radioisotopi di varie specie atomiche – la cui interpretazione è però molto complessa e non sempre univoca. Per questo motivo è molto difficile, ad esempio, stabilire se la tempesta solare di Carrington (1859) sia stata la più intensa in epoche recenti oppure se quella del 1921 l’abbia superata in intensità di impatto, come evidenziato da vari team di ricerca.

Attualmente la progettazione dei veicoli spaziali impiega dei livelli di resistenza alle particelle che sono basati sulle misure attuali, alle quali si applica un fattore moltiplicativo di sicurezza per il valore massimo atteso. In questo ambito lo studio considerato indica che gli eventi a particelle del 774/775 e del 993/994 d.C. presentano dei livelli di gran lunga superiori a qualsiasi evento estremo di space weather sino ad oggi conosciuto.

Assumendo che eventi di questo tipo possano verificarsi al giorno d’oggi, e non vi è nessuna indicazione scientifica che ciò non possa avvenire, l’impatto sarebbe devastante per la funzionalità di tutti i sistemi tecnologici basati a terra e nello spazio, sia per applicazioni civili che militari. Questo apre un nuovo scenario che obbliga a riconsiderare le peggiori condizioni dell’ambiente di radiazioni nel geospazio e degli effetti che tali condizioni possono determinare.

Sarà pertanto opportuno, per quanto si tratti di possibilità remote, riconsiderare le procedure di protezione civile per far fronte agli impatti sulla società, come anche le soglie di sicurezza nella progettazione dei satelliti e nell’effettuazione delle missioni spaziali. Infatti eventi estremi a bassissima probabilità possono, qualora si verifichino, avere effetti devastanti a lungo periodo. Poche nazioni al mondo hanno la consapevolezza di questo aspetto e sono preparate ad affrontare le situazioni conseguenti».

Crediti: Solar Dynamics Observatory, NASA

Un team internazionale di ricerca ha messo a punto un metodo per analizzare in modo estremamente rapido e preciso i campi magnetici presenti nell’atmosfera solare. In un articolo pubblicato su Nature Physics, i ricercatori spiegano il loro metodo e come questo rappresenti un significativo balzo in avanti per il cosiddetto space weather, ovvero lo studio e la predizione di attività solari potenzialmente catastrofiche per la tecnologia terrestre, se non per la vita stessa sul nostro pianeta. Determinate variazioni del campo magnetico solare sono infatti considerate la scintilla che innesca i brillamenti (flares), rapide ma intense esplosioni d’energia che avvengono nella fotosfera della nostra stella.

«Le continue esplosioni che avvengono nel Sole costituiscono la natura potenzialmente distruttiva della stella a noi più vicina», commenta David Jess della Queen University di Belfast, autore principale del nuovo studio. «Le nostre nuove tecniche rappresentano un nuovo modo di sondare i campi magnetici esterni del Sole, fornendo agli scienziati di tutto il mondo con un nuovo approccio per esaminare, e in definitiva comprendere, i precursori responsabili dei fenomeni distruttivi associati allo space waether».

Per la ricerca sono stati utilizzati i dati ottenuti sia dal telescopio spaziale della NASA SDO (Solar DynamicsObservatory) che dal sistema multicamera ROSA (Rapid Oscillations in the Solar Atmosphere) del Dunn Solar Telescope all’osservatorio di Sunspot, in Nuovo Messico. Con questi dati, i ricercatori hanno potuto ricostruire un quadro completo di come i campi magnetici permeino la turbolenta atmosfera solare, diramandosi fino alla sua parte più esterna, la corona.

«Capire il comportamento dei campi magnetici del Sole», aggiunge Damian Christian della California State University, «ci fornisce informazioni cruciali sull’immensa energia in gioco. Siamo molto soddisfatti del potenziale della nostra nuova tecnica per prevedere meglio i brillamenti solari».

Osservazioni di ROSA (quadrato piccolo) sovrapposte a quelle di SDO. Da Jess et al., ApJ, 757, 160 (2012)

I ricercatori sono stati in grado di determinare le intensità del campo magnetico ad un alto grado di precisione grazie allo studio delle onde che si propagano lungo i campi magnetici con velocità di oltre 800.000 chilometri all’ora. La velocità con cui tali onde possono viaggiare è infatti regolata dalle caratteristiche dell’atmosfera solare, compresa la temperatura – che per l’atmosfera esterna si aggira sul milione di gradi – e, appunto, l’intensità del campo magnetico.

Lo studio ha messo in evidenza come la forza dei campi magnetici diminuisca di un fattore 100 mentre si inoltrano dalla superficie verso la più tenue e calda corona. Pur meno forti, i flussi di campo magnetico possiedono comunque ancora un’enorme energia che, se sottoposti a forti tensioni, possono rilasciare violentemente sotto forma di eruzioni solari.

I metodi di analisi sviluppati dal gruppo di ricerca vogliono rendere disponibile un modo molto più veloce per esaminare le modificazioni del campo magnetico in tutto il percorso che sfocia nella produzione di un brillamento. Analisi che, sperabilmente, possano essere utilizzate per segnalare in maniera sempre più precoce e accurata i fenomeni più estremi di space weather.

“Solar Coronal Magnetic Fields Derived Using Seismology Techniques Applied to Omnipresent Sunspot Waves”, David Jess et al., 2015 November 16, Nature Physics

Una potente eruzione solare catturata dall’obiettivo del Solar Dynamics Observatory NASA

Ritorna lo spettro del superflare solare. Una bomba da un miliardo di megatoni confezionata nientemeno che dalla nostra stella e che potrebbe causare un gigantesco blackout, qui, a Terra. A parlare di sempre meno remota possibilità di un evento di queste proporzioni sono i ricercatori della Warwick University che, studiando il comportamento di una stella binaria conosciuta come KIC 9655129, hanno individuato pericolose somiglianze con il nostro Sole: potrebbe produrre regolarmente superflare.

Al momento si tratta di un processo alle intenzioni, perché l’Armageddon elettromagnetico non si è ancora scatenato, ma il superflare solare potrebbe arrivare davvero. Analizzando i dati raccolti dal telescopio spaziale NASA Kepler, un gruppo di ricerca della Warwick University ha individuato un superflare stellare proveniente dalla stella binaria KIC 9655129, che risponde a un modello fisico molto simile a quello dei brillamenti solari prodotti dalla nostra stella: il Sole.

Si tratta, in questo caso, di brillamenti migliaia di volte più potenti a quelli finora mai registrati sulla superficie della nostra stella, ma spesso riscontrati dagli astrofisici su altre stelle di sistemi lontani. KIC 9655129, che si trova all’interno della Via Lattea, è piuttosto conosciuta per i suoi superflare. Ma c’è una novità: la fisica che li ha prodotti potrebbe essere la stessa che governa l’attività sul nostro Sole.

Se la cosa fosse confermata, bisognerebbe prendere in seria considerazione l’eventualità che il nostro pianeta possa essere spettatore di un brillamento equivalente a una bomba di un miliardo di megatoni. Una tempesta elettromagnetica che certo potrebbe mettere a dura prova la rete elettrica a Terra e causare danni incalcolabili (vedi MediaINAF).

«Se il Sole possa mai produrre brillamenti di queste dimensioni non lo possiamo sapere, se non analizzando i processi fisici che li producono su altre stelle verificando se, qui da noi, ci siano o meno le condizioni perché si ripetano», spiega Chloë Pugh, responsabile della ricerca presso il Warwick Center for Fusion, Space and Astrophysics. «Se il Sole dovesse produrre un superflare sarebbe davvero un disastro per noi. I sistemi di comunicazione GPS potrebbero venire danneggiati e potrebbero verificarsi estesi blackout alla rete elettrica. Fortunatamente le probabilità che questo si verifichi sono estremamente basse».

Talvolta nella parte conclusiva di un evento di brillamento si possono registrare pulsazioni quasi periodiche – quasi periodic pulsations – o QPPs. Nel caso di KIC 9655129 sono state individuate due periodicità, una di 78 minuti e una di 32. «Secondo i nostri modelli si tratta di due periodicità indipendenti. La spiegazione più plausibile è che siano causate da oscillazioni magnetoidrodinamiche (MHD), frequentemente osservate durante questi fenomeni. Un comportamento che accomuna questo tipo di flare con quelli registrati anche sul nostro Sole», spiega Anne-Marie Broomhall, anche lei autrice dello studio e in forze alla Warwick. Un risultato che supporta l’ipotesi che vuole il Sole come potenziale fornace di eventi potenzialmente devastanti.

La macchia solare AR2529 fotografata il 13 aprile 2016, confrontata alle dimensioni della Terra. Crediti: Karzaman Ahmad, Langkawi National Observatory in Malaysia

L’assenza totale di macchie solari che finora caratterizzava il periodo di minima attività magnetica solare nell’attuale ciclo undecennale è stato bruscamente interrotto qualche giorno fa, quando sulla superficie del Sole è comparsa una cosiddetta “regione attiva”, contraddistinta dalla sigla AR2529. Questa primizia solare, ritenuta una macchia poco attiva, presentava la caratteristica di ricordare una forma “a cuore”.

Gli scienziati si sono dovuti ricredere sull’apparente carattere tranquillo di questa macchia solare quando il satellite SDO della NASA, lo scorso 17 aprile, l’ha osservata produrre un brillamento (flare) di media entità (classe M 6.7).

I brillamenti solari sono potenti esplosioni di radiazioni. Si tratta di radiazioni potenzialmente nocive per gli esseri umani, che vengono fortunatamente schermate dall’atmosfera terrestre. Il pericolo maggiore è rappresentato dalle interferenze che i fenomeni più energetici di questo genere possono portare ai satelliti in orbita attorno alla Terra. Anche per questo motivo, i brillamenti sono di particolare interesse per gli scienziati.

Video del brillamento solare originato da AR2529 il 17 aprile 2016 ripreso dalla sonda NASA Solar Dynamics Observatory. Si nota anche un anello di plasma scaturire sul lato destro. Crediti: NASA/SDO/Goddard

I flare vengono creati quando l’intreccio dei campi magnetici si riorganizza in maniera improvvisa ed esplosiva, convertendo energia magnetica in luce attraverso un processo chiamato riconnessione magnetica. Almeno questo dice la teoria, difficile da provare dal punto di vista sperimentale perché i segni distintivi di tale processo sono difficili da individuare.

Ora è stato pubblicato un nuovo studio a sostegno della correttezza di questa interpretazione dei brillamenti solari. Si tratta d’una ricerca basata sulle osservazioni che tre telescopi spaziali solari sono riusciti a realizzare durante un brillamento solare del dicembre 2013, ottenendo la visione più completa di un fenomeno elettromagnetico chiamato corrente diffusa (current sheet).

Animazione del brillamento solare del 3 dicembre 2013 visto contemporaneamente dalle sonda americane SDO e STEREO e giapponese HINODE. La corrente diffusa è una struttura lunga e stretta, riconoscibile specialmente nelle viste di sinistra. Crediti: NASA/JAXA/SDO/STEREO/ Hinode (courtesy Zhu, et al.)

A differenza di altri eventi “climatici” spaziali, come ad esempio le espulsioni di massa coronale, i brillamenti solari viaggiano alla velocità della luce. Ciò significa che non abbiamo alcun segnale anticipatore del loro arrivo. Sicché gli scienziati vogliono arrivare a definire i processi che portano alla creazione dei brillamenti solari: la speranza è quella di riuscire, prima o poi, a prevederli con qualche giorno di anticipo.

«L’esistenza di una corrente diffusa è cruciale in tutti i nostri modelli che predicono l’evoluzione dei brillamenti solari», dice James McAteer, astrofisico presso la New Mexico State University e tra gli autori del nuovo studio. «Così queste osservazioni ci rendono molto più sicuri e rilassati».

Riconnessione magnetica. Crediti: ESA

Una corrente diffusa è un flusso molto veloce e molto piatto di materiale elettricamente carico, definito in parte dallo spessore estremamente ridotto rispetto alla estensione. Le correnti diffuse si formano quando due campi magnetici allineati in modo opposto entrano in stretto contatto, creando una pressione magnetica molto alta. La corrente elettrica che scorre attraverso questa zona ad alta pressione è fortemente compressa, come fosse “laminata”. Questa configurazione di campi magnetici è instabile, una condizione che può facilmente portare alla riconnessione magnetica.

« La riconnessione magnetica accade nell’interfaccia tra campi magnetici allineati in modo opposto», spiega Chunming Zhu, scienziato spaziale alla New Mexico State University e autore principale dello studio. «I campi magnetici si spezzano e si riconnettono, dando origine a un brillamento solare».

Non è naturalmente la prima volta gli scienziati osservano una corrente diffusa durante un brillamento solare, ma questo studio, secondo gli autori, è unico, in quanto diverse proprietà della corrente diffusa – quali velocità, temperatura, densità e dimensioni – sono state osservate contemporaneamente da più angoli di vista, oppure derivate da più di metodo di analisi.

Un altro studio appena pubblicato su Scientific Reports, una rivista scientifica affiliata a Nature, propone un ulteriore record nel campo dei brillamenti solari. Gli scienziati del New Jersey Institute of Technology (NJIT) hanno catturato al Big Bear Solar Observatory (BBSO) immagini senza precedenti di un brillamento solare, esploso il 22 giugno 2015. Secondo gli scienziati, si tratta delle immagini con maggiore risoluzione per questo genere di osservazioni.

Ripresa del telescopio NST (a dx) confrontata con quella del satellite SDO (a sx). Crediti: NJTI

Nella straordinaria galleria ottenuta dal telescopio New Solar Telescope (NST) di 1.6 metri vi sono cose che noi umani non possiamo neanche immaginare: nastri di bagliori luminosi che attraversano una macchia solare, seguiti da una pioggia di plasma coronale che si condensa nella fase di raffreddamento poco dopo il brillamento, “annaffiando” la superficie visibile del Sole di esplosive gocce luminose.

Le nuove immagini permettono di comprendere meglio uno degli enigmi centrali della fisica solare, ovvero come l’energia venga trasferito da una regione del Sole all’altra durante e dopo un brillamento solare. «Possiamo ora osservare in dettaglio molto fine come l’energia sia trasportata nei brillamenti solari», commenta Ju Jing, professoressa al dipartimento di fisica del NJIT e autrice principale dello studio. «In questo caso dalla corona, dove è stato conservato, alla bassa cromosfera, decine di migliaia di miglia più in basso, dove la maggior parte dell’energia è stata infine convertita in calore e irradiata via».

Ju Jing. Crediti: NJTI

Ju sottolinea che, mentre i fasci di elettroni sono tradizionalmente visti come l’agente principale per il trasporto di energia nei brillamenti, le recenti osservazioni forniscono nuove informazioni sulla scala spaziale a cui avviene il trasporto di energia.

Anche in questo caso, i ricercatori sperano che i loro risultati possano portare a una migliore comprensione dell’impatto che brillamenti possono avere sulle attività Terrestri.

«Le nostre misure colmano il divario tra modelli e osservazioni, aprendo anche interessanti quesiti per ricerche future», commenta in conclusione Ju. «Saremo in grado di misurare, ad esempio, con i telescopi terrestri di grandi dimensioni queste caratteristiche sulla superficie del Sole fino alla loro scala spaziale fondamentale?».

Per saperne di più:

• Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Observation of the Evolution of a Current Sheet in a Solar Flare“, di Chunming Zhu, Rui Liu, David Alexander e R. T. James McAteer
• Leggi su Scientific Reports l’articolo “Unprecedented Fine Structure of a Solar Flare Revealed by the 1.6 m New Solar Telescope“, di Ju Jing, Yan Xu, Wenda Cao, Chang Liu, Dale Gary e Haimin Wang

Fase del montaggio del canale nel Potassio (K) sulla montatura del telescopio. Crediti: Francesco Berrilli

Per un fisico solare, uno dei luoghi ideali per osservare la nostra stella è senza dubbio il Polo Sud. Questo è dovuto da un lato alle condizioni di stabilità atmosferica e pulizia del cielo eccezionali, grazie anche alle quote che raggiungono i 3.000 metri sul livello del mare, e dall’altro alle osservazioni virtualmente ininterrotte dell’estate australe, quando il Sole arriva ad essere visibile per tutto l’arco della giornata. Da queste considerazioni nasce il progetto per il South Pole Solar Observatory, un telescopio dedicato all’osservazione della nostra stella e posizionato al Polo Sud geografico.

A partire dai primi giorni di gennaio scorso Francesco Berrilli e Stefano Scardigli, rispettivamente professore e ricercatore postdoc dell’Università di Roma Tor Vergata, si trovano presso la Stazione Polare Amundsen-Scott, in Antartide, per installare e rendere operativo il telescopio solare MOTH II. Questo telescopio verrà utilizzato in particolare per la ricerca astrofisica nel campo delle onde di gravità nell’atmosfera solare e della meteorologia spaziale. Il progetto, finanziato dalla National Science Foundation e coordinato da Stuart Jefferies, professore della Georgia State University, ha un piccolo supporto del PRIN-MIUR 2012. Il team è composto da ricercatori dell’Università delle Hawaii, Georgia State University, Università di Roma Tor Vergata, JPL e Agenzia Spaziale Europea.

La scelta del sito di osservazione è ricaduta sul Polo Sud per la lunga serie di vantaggi già elencati (altri li avevamo evidenziati poche settimane fa), ma tutte queste qualità si pagano col fatto che le messe a punto del telescopio e degli strumenti sul piano focale si effettuano all’esterno della stanza di controllo, che si trova sotto il ghiaccio per non generare turbolenza nell’atmosfera, a temperature percepite di -35/-40°C.

Telescopio montato con la struttura “Hammerschlag” per la soppressione del vento. Crediti: Francesco Berrilli

Il telescopio è composto da due canali operanti in righe del Sodio e del Potassio, e ha un cuore tutto italiano, essendo basato sui filtri magneto-ottici sviluppati negli anni ‘90 per applicazioni solari da un team del Dipartimento di Fisica delle Sapienza, allora coordinato da Alessandro Cacciani. I due canali permettono l’osservazione simultanea dei campi di velocità del plasma solare e del campo magnetico a due altezze della regione fotosferica/cromosferica dell’atmosfera della stella. Queste immagini, acquisite ad elevatissima cadenza e virtualmente senza interruzioni temporali, consentono l’analisi della dinamica del plasma e del campo magnetico della stella con risoluzioni temporali senza precedenti, aprendo la strada a nuovi algoritmi di predizione degli eventi solari, come ad esempio i brillamenti, e a nuovi strumenti di indagine in campo astrofisico con ricadute importanti per la nostra società tecnologica nel campo della meteorologia spaziale. Il progetto, che ha la durata di 3 anni, proseguirà con le campagne antartiche 2017-18 e 2018-19.

Stanza di controllo sotto il ghiaccio del telescopio solare MOTH II. Crediti: Francesco Berrilli

«Recarsi ai confini del mondo, in un deserto di ghiaccio, può sembrare strano per un ricercatore che voglia studiare il Sole. Eppure è proprio durante l’estate australe al polo sud geografico che troviamo condizioni osservative ottimali per lo studio della nostra stella», racconta ai microfoni di Media INAF Francesco Berrilli. «ll South Pole Solar Observatory si trova a 3.000 metri di quota, ha l’atmosfera più secca della Terra ed un seeing eccezionale, e inoltre consente di osservare la stella per mesi interi. L’osservatorio, con il suo telescopio a doppio canale basato su filtri magneto-ottici permette di acquisire immagini dei moti verticali del plasma fotosferico, con una sensibilità di 7 m/s in 5 secondi, e del campo magnetico fotosferico a più quote dell’atmosfera solare. Le lunghe serie temporali consentono poi di testare, con tecniche di eliosismologia locale ed analisi di segnale, algoritmi innovativi per lo studio della dinamica del plasma della stella e per la previsione dei brillamenti solari. Tali algoritmi sono ormai ritenuti di importanza strategica per gli studi connessi alla meteorologia spaziale e alla protezione delle infrastrutture tecnologiche».

«Da un punto di vista personale si è colpiti dal trovarsi in un punto geografico così importante», prosegue Berrilli, «dove tutte le longitudini e tutti i tempi finiscono per convergere, dove “esce” l’asse intorno a cui ruota l’intero mondo. Chi studia il cielo ha la fortuna e il privilegio di lavorare in luoghi remoti e magnifici, sui vulcani delle Hawaii, in Cile o alle Canarie. Ma qui siamo letteralmente su un altro pianeta, protetti nella South Pole Station ma in un ambiente ostile e a migliaia di chilometri dai più vicini ospedali e città. Siamo su un esopianeta ghiacciato ad osservare e studiare una stella che ricorda molto, molto il nostro Sole».

«Si tratta di un’esperienza incredibile, dal punto di vista scientifico ed umano», dice a Media INAF Stefano Scardigli. «Siamo all’interno di una macchina scientifica e tecnologica che ci permette di lavorare in condizioni ottimali in un ambiente totalmente ostile. Mi sento molto orgoglioso del privilegio che mi è concesso e di rappresentare l’Italia in questa missione. Dopo il primo stupore, dopo aver imparato ad utilizzare al meglio le attrezzature per le condizioni climatiche estreme a cui si è sottoposti, fatte proprie le regole, i rituali, i ritmi necessari a mantenere in sicurezza strutture e personale, ci si concentra sul lavoro. Ma basta un attimo e la mente fugge alle memorie di Amundsen, Scott, Shackleton… mentre lo sguardo si perde nella distanza infinita tra ghiaccio e cielo. Così si arriva a percepire la magia e il mistero dell’avventura umana».

Rappresentazione artistica d’un evento di distruzione mareale nella galassia F01004-2237. Il rilascio di energia gravitazionale prodotto dai detriti della stella che precipitano nel buco nero genera un intenso bagliore. Crediti: Mark Garlick

Divorano tutto, luce e materia, questo già lo sapevamo. Ma quanto divorano? O meglio: quanti pasti si concedono? Parliamo di buchi neri, naturalmente. Buchi neri supermassicci. Quelli che albergano nel cuore delle galassie, Via Lattea compresa. E che di tanto in tanto trangugiano una malcapitata stellina di passaggio. Ed è proprio per calcolare a quanto ammonta quel di tanto in tanto che un team di astronomi dell’università di Sheffield, nel Regno Unito, ha seguito per dieci anni, a partire dal 2005, un campione di 15 galassie ultraluminose nell’infrarosso. Tutte galassie nelle quali è in corso un episodio di “collisione cosmica” con galassie vicine. I risultati, pubblicati sull’ultimo numero di Nature Astronomy, si discostano non poco dalle stime esistenti: se le precedenti osservazioni suggerivano un ‘pasto stellare’ – più correttamente, un tidal disruption event (Tde), o evento di distruzione mareale – una volta ogni 10-100mila anni per ciascuna galassia, dunque fenomeni estremamente rari, i dati raccolti dagli astronomi inglesi grazie al William Herschel Telescope, alle Canarie, inducono a pensare che in realtà il fenomeno sia almeno 100 volte più frequente. Soprattutto durante gli episodi di merging, ovvero quando due galassie si scontrano.

Come hanno fatto a calcolarlo? Per prima cosa va detto che la similitudine del ‘pasto’, sebbene adottata dagli stessi ricercatori (che parlano, appunto, di ‘cannibalismo’), va presa per quel che è: in realtà, non c’è una stella più o meno imprudente o un buco nero più o meno affamato, ma è tutto un gioco d’interazioni gravitazionali e di scambi energetici. Fatta questa premessa, la nuova stima – ottenuta, va detto, da un campione alquanto ridotto – deriva dall’osservazione di emissioni anomale dalle galassie sotto indagine. Una luce che può essere interpretata come l’agonia della stella smembrata, l’urlo elettromagnetico della materia che avvampa: strappata dalla forza gravitazionale del buco nero, rilascia enormi quantità d’energia. Sono i cosiddetti flares, o bagliori, e finché durano appaiono luminosi come miliardi di stelle messe assieme. Ed è proprio uno di questi flare – avvistato nel 2010 in una delle galassie del campione, F01004-2237, a 1.7 miliardi d’anni luce da noi – ad aver costretto gli astronomi a rivedere le precedenti stime.

In particolare, gli scienziati hanno avuto conferma d’un aspetto in apparenza facile da intuire, almeno per noi profani, sebbene gli autori dello studio si dichiarino stupiti: «I nostri risultati sorprendenti mostrano che la frequenza degli eventi di tidal disruption aumenta drammaticamente quando le galassie si scontrano», spiega James Mullaney, uno degli autori dello studio. «Ciò è probabilmente dovuto al fatto che le collisioni fanno sì che, mentre due galassie si fondono l’una nell’altra, molte stelle inizino a formarsi nei pressi dei due buchi neri supermassicci centrali».

Un incremento d’attività che in un lontano futuro potrebbe riguardare anche la nostra galassia. «In base a quanto abbiamo osservato per F01004-2237», dice lo scienziato alla guida dello studio, Clive Tadhunter, «ci attendiamo che eventi di tidal disruption diventeranno comuni anche nella Via Lattea, quando nel giro di circa 5 miliardi di anni finirà per fondersi con la galassia di Andromeda. Guardando verso il centro della Via Lattea al momento della fusione, saremo allora in grado d’osservare un flare più o meno ogni 10 – 100 anni. Bagliori che risulteranno visibili a occhio nudo, superando in luminosità qualunque altra stella o pianeta nel cielo notturno».

Per saperne di più:

• Leggi il preprint dell’articolo “A tidal disruption event in the nearby ultra-luminous infrared galaxy F01004-2237”, di C. Tadhunter, R. Spence, M. Rose, J. Mullaney e P. Crowther

Questa straordinaria immagine del Sole è stata catturata lo scorso 29 gennaio dai sei canali, a differente lunghezza d’onda, dello strumento SUVI a bordo di GOES-16. In evidenza una grande buco coronale nell’emisfero meridionale della stella. Crediti: NOAA

Battesimo scientifico per Suvi, il Solar Ultraviolet Imager montato a bordo di Goes-16, il satellite lanciato nel novembre 2016 da Nasa.

Il Sole si sta avvicinando al suo periodo di minima attività, seguendo il ciclo della stella che si conclude ogni 11 anni. Durante questo periodo le potenti eruzioni lasciano il posto a spettacolari voragini nella corona solare. Con il termine buchi coronali ci si riferisce a regioni in cui la corona della nostra stella appare più scura per via del plasma che fuoriesce ad alta velocità verso lo spazio interplanetario, mettendo in evidenza un’area più fredda e a minore densità rispetto all’ambiente circostante.

Suvi è un telescopio spaziale per lo studio del Sole nella lunghezza dell’estremo ultravioletto. Toccherà a lui catturare immagini della nostra stella a maggiore definizione e un maggiore angolo di osservazione rispetto ai precedenti satelliti geostazionari Noaa. E le prime immagini non fanno che confermare le aspettative sul progetto Nasa.

La corona solare è composta da plasma ad altissima temperatura. Questo gas incandescente e altamente ionizzato interagisce con il potente campo magnetico del Sole, dando vita a movimenti convettivi di materiale che può raggiungere temperature di milioni di gradi. Fuori dal flusso convettivo della corona, si trovano regioni fredde e scure che possono esplodere diventando una fonte primaria di meteorologia spaziale. I buchi coronali, con le loro emissioni di plasma ad altissima velocità possono infatti rappresentare un concreto pericolo per i satelliti in orbita attorno alla Terra.

È dunque fondamentale studiare questo genere di fenomeni: a seconda della grandezza di un’eruzione solare, possiamo aspettarci o meno un fenomeno di disturbo del campo magnetico terrestre e prevenire l’eventuale impatto a reti elettriche e comunicazioni satellitari.

Per saperne di più:

• Visita il sito del progetto Goes-16 all’indirizzo web www.goes-r.gov o www.nasa.gov/goes.

Sono le tempeste solari a innescare l’affascinante fenomeno dell’aurora polare. Crediti: Davide Coero Borga

È un fenomeno del tutto controintuitivo e, al momento, privo di una spiegazione. Sembra che nel corso delle tempeste solari, quando grandi quantità di plasma altamente ionizzato infrangono lo “scudo” del campo magnetico terrestre e si infilano nella ionosfera, gli elettroni presenti in atmosfera scompaiono misteriosamente in porzioni di cielo considerevoli (fra i 500 e 1000 chilometri di raggio). È quanto riporta uno studio condotto dalla Technical University di Danimarca insieme alle università di New Brunswick, il NASA Jet propulsion laboratory e l’università dell’Illinois, appena pubblicato sulla rivista Radio Science.

Quando si verifica un’eruzione sulla superficie del Sole, sappiamo che una nube di particelle elettricamente carica s’invola nello spazio in direzione Terra, dando vita a una vigorosa tempesta solare che (non tutto il male viene per nuocere) può anche innescare l’affascinante fenomeno dell’aurora boreale sulla regione artica.

La tempesta potrebbe però avere anche un forte impatto sull’efficienza dei sistemi di comunicazione e di navigazione a quelle latitudini. E per questo motivo è così importante studiare e comprendere sempre meglio questo genere di eventi.

Durante le tempeste solari, il plasma altamente ionizzato espulso dalla nostra stella riesce a penetrare la parte alta dell’atmosfera terrestre, detta ionosfera, a circa 80 chilometri dalla superficie del pianeta. Questo fenomeno si verifica principalmente ad alte latitudini, dove il campo magnetico è più sottile: particelle ed elettroni filtrano l’atmosfera anziché venire riflessi come succede normalmente. È un evento comune e che gli astrofisici hanno imparato a conoscere bene.

La notizia qui è un’altra, ovvero la misteriosa scomparsa di cariche negative da grandi regioni del cielo prossime al fenomeno. Mai registrata precedentemente.

«Abbiamo effettuato ampie misurazioni in corrispondenza di una tempesta solare che ha colpito la regione artica nel 2014: sorprendentemente, in un’area estesa fra i 500 e i 1000 chilometri situata a sud di una delle zone di sovraccarico elettrico e che gli scienziati chiamano patch, gli elettroni presenti in atmosfera sono stati misteriosamente risucchiati via, come da un potentissimo aspirapolvere», spiega Per Høeg della Technical University di Danimarca.

«Non potevamo prevedere qualcosa di simile. E anche ora che i dati ci mostrano questo bizzarro fenomeno, non abbiamo una spiegazione valida per descrivere perché sia avvenuto».

Una risposta agli interrogativi aperti va forse cercata nei processi geomagnetici che interessano il campo magnetico terrestre nella parte meno esposta all’eruzione solare, quella più distante dalla nostra stella.

«Il nostro lavoro può contribuire a rendere più sicura la navigazione nel corso delle tempeste ionosferiche che interessano la regione artica. Identificando i fattori critici che influenzano la qualità della navigazione satellitare ci consente progettare tecnologie capaci di gestire al meglio la situazione di emergenza e valutare la probabilità che si presentino», conclude Høeg.

Per saperne di più:

• Leggi su Radio Science l’articolo “Multiinstrument observations of a geomagnetic storm and its effects on the Arctic ionosphere: A case study of the 19 February 2014 storm“, di Tibor Durgonics, Attila Komjathy, Olga Verkhoglyadova, Esayas B. Shume, Hans-Henrik Benzon, Anthony J. Mannucci, Mark D. Butala, Per Høeg e Richard B. Langley

La sonda Sdo (Solar Dynamics Obersavatory) della Nasa osserva il Sole attentamente e senza sosta dal 2010. Due giorni fa ha assistito allo spettacolo di ben 3 brillamenti solari in 30 ore. Si tratta di esplosioni di radiazioni che si verificano sulla superficie della nostra stella madre, quando l’intreccio dei campi magnetici si riorganizza in maniera improvvisa ed esplosiva. Sono talmente potenti che le radiazioni arrivano fino sulla Terra, ma vengono schermate dalla nostra spessa atmosfera. Anche se effettivamente non sono nocive per l’uomo o per gli altri esseri viventi, le radiazioni solari creano parecchi problemi con i sistemi Gps e di comunicazione satellitare in generale.

Il primo flare (così si chiamano in inglese) è apparso alle 10:02 (ora italiana) di domenica 2 aprile e il secondo dopo pochi minuti, alle 10:33. Il terzo, invece, si è fatto attendere fino alle 16:29 di lunedì 3 aprile. I tre eventi sono stati “fotografati” dal telescopio spaziale Sdo e sono tutti di classe media: rispettivamente M5.3, M5.7 e M5.8. La classe M è circa un decimo della classe X (che sta per Extreme, estremo), cioè la più intensa per classificare i brillamenti solari.

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Il telescopio spaziale Sdo della Nasa ha catturato questa immagine del Sole lo scorso 2 aprile alle 10:02 (ora italiana) mentre era in corso un potente brillamento solare (il flash luminoso vicino al bordo superiore destro della nostra stella madre). La luce ultravioletta evidenzia il materiale estremamente caldo che sta fuoriuscendo dal Sole. Crediti: NASA/SDO

Per saperne di più:

• Per vedere come questo evento può influenzare la Terra, visita il sito Space Weather Prediction Center del NOAA
• Il sito del progetto SDO

Il satellite della Nasa Solar Dynamics Observatory ha catturato questo brillamento solare di classe X il 15 febbraio 2011. Crediti: NASA’s Goddard Space Flight Center/SDO

Nonostante la distanza che ci separa dal Sole, l’attività superficiale della nostra stella madre può avere effetti anche sul nostro pianeta. Il monitoraggio costante è il segreto per non arrivare impreparati. Gli esperti controllano il Sole di continuo con numerosi strumenti della Nasa, come il Solar Dynamics Observatory (Sdo) e il Geostationary Operational Environmental Satellite (Goes), e di recente due gruppi di ricercatori hanno osservato come i brillamenti solari più potenti mostrino degli impulsi o delle oscillazioni nell’emissione elettromagnetica, e in particolare quella ultravioletta. Come si formano questi brillamenti? Quanto influiscono sullo spazio circostante? Le oscillazioni arrivano anche sulla Terra?

Il primo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal e descrive le impreviste oscillazioni registrate durante un brillamento del 15 febbraio 2011. Si tratta di un brillamento di classe X, il tipo più potente di queste intense esplosioni, e dato che già all’epoca gli scienziati avevano più strumenti di osservazione, sono stati in grado di tracciare le oscillazioni nella radiazione del brillamento confrontando i dati di diverse osservazioni.

Per provare che i dati sugli impulsi raccolti dallo strumento Goes della Nasa fossero corretti, gli esperti hanno fatto un controllo incrociato utilizzando anche il satellite Sdo, che osserva la luce e le radiazioni solari a diverse lunghezze d’onda. Cosa ci dicono del Sole queste oscillazioni? «Qualsiasi tipo di oscillazione sul Sole può raccontarci molto sull’ambiente in cui si stanno verificando le emissioni», ha dichiarato il primo autore dello studio, Ryan Milligan, fisico presso il Goddard Space Flight Center della Nasa e autore dello studio. «In questo caso, gli impulsi regolari di luce ultravioletta indicavano disturbi – simili a terremoti – che si stavano propagando attraverso la cromosfera, la base dell’atmosfera esterna del Sole, durante il brillamento». Milligan ha aggiunto: «I brillamenti sono molto localizzate, per cui è difficile rilevare le oscillazioni» isolandole dal rumore di fondo delle emissioni regolari del Sole.

Sappiamo già che queste potenti emissioni potrebbero essere nocive per l’uomo se non fossimo difesi dal campo magnetico terrestre. Tuttavia – se abbastanza intensi – possono disturbare il segnale dei satelliti che si trovano nell’orbita geostazionaria, quella dedicata alle comunicazioni. E proprio nel secondo studio, pubblicato questa volta su Journal of Geophysical Research: Space Physics, gli esperti hanno approfondito la connessione tra i brillamenti solari e la ionosfera, cioè lo strato “elettrificato” dell’atmosfera terrestre. In particolare, i fisici solari hanno studiato il brillamento di classe C (100 volte più debole di quello di classe X) del 24 luglio 2016 le cui oscillazioni sono arrivate fino alla regione D della ionosfera, cioè quella che reagisce con lo spazio circostante (radiazioni solari e altro).

La prima autrice di questo secondo lavoro, Laura Hayes del Trinity College di Dublino, ha spiegato che la regione D della ionosfera «influenza le comunicazioni e i segnali di navigazione. I segnali attraversano la regione D e le variazioni nella densità dell’elettrone influenzano l’assorbimento del segnale». Cosa vuole dire? I brillamenti solari, e ogni altro evento violento proveniente dal Sole, influisce in modo significativo sulle comunicazioni terrestri. Gli scienziati hanno utilizzato i dati provenienti da segnali radio a frequenza molto bassa per sondare gli effetti dei brillamenti sulla ionosfera: monitorando il modo in cui i segnali a bassa frequenza si propagano da un capo all’altro della ionosfera, gli scienziati possono mappare le variazioni della densità degli elettroni. Unendo questi dati a quelli raccolti da Goes e Sdo, i fisici hanno trovato che la densità degli elettroni della regione D “pulsava” in base alle oscillazioni provenienti dal Sole durante i brillamenti.

Hayes ha aggiunto: «Questo è un risultato emozionante, perché ci mostra che l’atmosfera terrestre è più legata alla variabilità dei raggi X solari di quanto si pensasse in precedenza. Ora abbiamo intenzione di esplorare ulteriormente questo rapporto dinamico tra il Sole» e la ionosfera.

Per saperne di più:

• Leggi suThe Astrophysical Journal l’articolo “Detection of Three-minute Oscillations in Full-disk Lyα Emission during a Solar Flare”, di Ryan O. Milligan et al.
• Leggi suJournal of Geophysical Research: Space Physics l’articolo “Pulsations in the Earth’s Lower Ionosphere Synchronized With Solar Flare Emission”, di Laura A. Hayes et al.

Secondo i ricercatori del Cnrs francese, dell’École Polytechnique, del Cea e dell’Inria, un solo fenomeno potrebbe essere alla base di tutte le eruzioni solari. Lo studio, presentato in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature, è così importante da essersi guadagnato la copertina. Gli scienziati coinvolti nella ricerca hanno identificato la presenza di una gabbia di confinamento all’interno della quale si forma una specie di corda, o treccia magnetica, responsabile delle eruzioni solari (flare, o brillamenti solari). La resistenza di questa gabbia all’attacco della corda magnetica determina la potenza e il tipo di flare che si viene a verificare. Con questo lavoro i ricercatori hanno sviluppato un modello in grado di prevedere l’energia massima che può essere rilasciata durante un brillamento solare, che potrebbe potenzialmente avere conseguenze devastanti per la Terra.

Proprio come avviene sulla Terra, anche l’atmosfera del Sole è spazzata da tempeste e uragani. Sul Sole questi fenomeni sono causati da un improvviso e violento cambiamento del campo magnetico, e sono caratterizzati da un intenso rilascio di energia sotto forma di luce, emissione di particelle e, a volte, dall’espulsione di bolle di plasma. Studiare questi fenomeni, che si svolgono nella corona solare (la regione più esterna), consente agli scienziati di mettere a punto modelli in grado di prevederli, proprio come avviene per il meteo sulla Terra. Acquisire la capacità di prevedere eruzioni solari importanti dovrebbe limitare la nostra conseguente vulnerabilità tecnologica, che potrebbe avere un impatto su vari settori come, ad esempio, la distribuzione dell’elettricità, i Gps e sistemi di comunicazione in generale.

Nel 2014 i ricercatori avevano dimostrato che, nei giorni precedenti a un brillamento solare, appariva gradualmente una struttura caratteristica: un intreccio di linee di forza magnetiche attorcigliate insieme come i fili di una corda di canapa. Tuttavia, fino a poco tempo fa, queste strutture si erano osservate esclusivamente in eruzioni che portavano all’espulsione di una bolla di plasma. In questo nuovo studio, i ricercatori hanno studiato altri tipi di flare, i cui modelli sono ancora in discussione, facendo un’analisi più approfondita della corona solare, una regione dell’atmosfera del Sole talmente sottile e calda da rendere difficile una misura del campo magnetico. Gli autori sono stati in grado di misurare il campo magnetico più forte sulla superficie del Sole e, usando questi dati, hanno ricostruito quello che stava accadendo nella corona solare. Hanno poi applicato questo metodo a un grande flare che si è sviluppato in poche ore il 24 ottobre 2014, dimostrando che, nelle ore precedenti l’eruzione, la corda in evoluzione era confinata all’interno di una gabbia magnetica a più strati. Applicando i modelli evolutivi studiati a simulazioni effettuate su un super-computer, hanno dimostrato che la corda, in quel caso, non aveva un’energia sufficiente per sfondare tutti gli strati della gabbia, rendendo impossibile l’espulsione di una bolla magnetica. Nonostante questo, l’elevata torsione della corda ha innescato un’instabilità e la parziale distruzione della gabbia stessa, causando una potente emissione di radiazioni che ha portato ai disservizi riscontrati sulla Terra.

Gabbia e corda magnetica nella formazione di un’eruzione solare. Crediti: Nature

Grazie al loro metodo, che consente di individuare e monitorare i processi che si svolgono nelle ultime ore precedenti al flare, i ricercatori hanno sviluppato un modello in grado di prevedere la massima energia che può essere rilasciata dalla regione interessata. Il modello ha mostrato che nell’eruzione del 2014, se la gabbia non fosse stata così resistente, si sarebbe verificata un’enorme espulsione di plasma. Lo studio pubblicato oggi dimostra il ruolo cruciale svolto dal binomio magnetico “gabbia-corda” nel controllo delle eruzioni solari e, oltre a costituire un grande passo avanti verso la previsione di tali eruzioni, potrebbe avere un impatto sociale potenzialmente significativo. Per capire meglio quest’ultimo aspetto, che ci riguarda da vicino, abbiamo chiesto alcune delucidazioni a Salvo Guglielmino, fisico solare all’Università di Catania e associato Inaf.

Quanti flare potenzialmente pericolosi per la Terra si sviluppano sulla superficie del Sole in un giorno?

«I flare potenzialmente pericolosi per la Terra sono quelli di classe M e X, secondo la classificazione attualmente in uso che è basata sull’emissione nei raggi X. Si può dire in generale che quelli più pericolosi siano quelli di classe X. In realtà, a determinare la pericolosità non è solo la classe, ma anche la configurazione magnetica della nube di plasma eiettata nello spazio interplanetario, detta Coronal Mass Ejection (Cme), di solito associata a questi flare più energetici: può accadere quindi che un flare M (più debole) emetta un Cme con effetti sulla Terra (tempeste magnetiche) più importanti rispetto a un flare X (più forte). Quanti di questi eventi si possono verificare in un giorno? Non c’è in effetti un limite teorico: essi si sviluppano sulle regioni attive, a seguito di conversione di energia magnetica in energia cinetica (accelerazione di particelle) e termica, tramite riconnessione magnetica. In ciascuna regione attiva, quindi, occorre nella maggior parte dei casi un po’ di tempo (da ore a giorni) per “ricaricare” energia magnetica sufficiente per generare un altro flare. I flare X avvengono quindi dopo un certo periodo in cui l’energia magnetica si è accumulata, e sono spesso seguiti da flare più deboli (classi C e M), piuttosto che da un altro flare X. O viceversa, dopo una serie di eventi minori c’è un grande flare X. Diciamo che c’è una qualche analogia con i terremoti sulla Terra. D’altra parte, il numero di regioni attive può essere elevato nei periodi di massimo di attività solare, per cui in ciascuna di esse possono avere luogo flare X, in maniera indipendente dalle altre regioni attive, in base alla configurazione magnetica più o meno complessa di ciascuna».

Quanti eventi pericolosi si sono verificati in passato?

Flare del 31 agosto 2012. La coronal mass ejection ha viaggiato a oltre 1500 km al secondo, causando le aurore boreali del 3 settembre. Crediti: Nasa/Gsfc/Sdo

«Negli ultimi 20 anni sono stati registrati solo una decina di eventi di classe X10 (cioè circa 10 volte più potenti di un flare X), di cui solo uno nel ciclo attuale, il 24, nello scorso settembre 2017 (erano più di 10 anni che non accadeva). Questi flare sono quelli reputati più pericolosi, perché ovviamente più energetici. Di flare X “normali”, diciamo che è molto raro dal punto di vista statistico che ne avvengano più di 10-15 al giorno (su tutto il disco) nel periodo di massimo».

Conoscere con qualche ora di anticipo quando si verificherà un flare, e con che potenza, come ci aiuta?

«Se sappiamo con qualche ora di anticipo quando avverrà un flare, e quindi il possibile arrivo di una tempesta geomagnetica determinata dal Cme associato, ci sono dei vantaggi per la sicurezza. Per esempio, si sa che le particelle accelerate dai flare possono provocare radiazioni ionizzanti nell’alta atmosfera in prossimità delle regioni polari della Terra, dove il campo magnetico terrestre esercita una minore azione schermante. Pertanto, i passeggeri e l’equipaggio degli aeromobili che si trovassero in volo nelle regioni polari, tipicamente previste per le rotte intercontinentali a lungo raggio, riceverebbero una dose di radiazioni ionizzanti pari a decine, se non centinaia, di radiografie durante un unico volo. Il sapere con anticipo che un flare potenzialmente “pericoloso” sta per avere luogo può portare a una riprogrammazione accurata delle rotte dei voli. Similmente, il sistema di localizzazione Gps viene disturbato dalle particelle in arrivo, determinando errori di posizione fino a qualche centinaio di metri. Nelle rotte navali e aeree, questi errori possono essere tempestivamente corretti tramite navigazione assistita con radiofaro e altri accorgimenti, e conoscere in anticipo la possibilità che questi problemi possano verificarsi aiuta una gestione migliore delle emergenze. Ecco, questi sono solo alcuni degli esempi possibili, ma probabilmente quelli che hanno un maggior impatto sulla popolazione».

Per saperne di più:

• Leggi su Nature l’articolo “Magnetic cage and rope as the key for solar eruptions“, di Tahar Amari, Aurélien Canou, Jean-Jacques Aly, Francois Delyon e Fréderic Alauzet

Illustrazione raffigurante il disco solare primordiale. Nell’inserto un cristallo di hibonite blu, uno dei primi minerali a formarsi nel Sistema solare. Crediti: Field Museum, University of Chicago, Nasa, Esa, and E. Feild (STScl)

Nato 4.6 miliardi di anni fa, conosciamo il Sole come una stella matura e calma. Ma i suoi primi anni rimangono un mistero. Poiché la Terra si è formata circa 50 milioni di anni dopo, è difficile trovare residui di quei primi giorni del nostro angolo di universo, in grado di raccontarci qualcosa di un giovane Sole.

Ma un nuovo studio, pubblicato su Nature Astronomy, ci racconta di un Sole neonato irrequieto, grazie all’analisi di microscopici cristalli blu ghiaccio intrappolati in antiche meteoriti. «Questi cristalli si sono formati oltre 4.5 miliardi di anni fa e conservano la registrazione di alcuni dei primi eventi che hanno avuto luogo nel nostro Sistema solare, e anche se sono così piccoli – molti hanno diametro inferiore ai 100 micron – erano ancora in grado di mantenere questi gas nobili altamente volatili che sono stati prodotti attraverso l’irradiazione dal giovane Sole tanto tempo fa», dice Levke Kööp, postdoc dell’Università di Chicago affiliata al Field Museum, autrice principale dello studio.

Un minuscolo cristallo di hibonite blu proveniente dal meteorite Murchison. Crediti: Andy Davis, University of Chicago

I cristalli sono contenuti in minerali noti come hibonite, la cui composizione reca segni distintivi di reazioni chimiche che si potevano verificare solo se il giovane Sole avesse emesso molte particelle energetiche. Prima della formazione dei pianeti, il Sole era circondato da un enorme disco di gas e polveri che gli spiraleggiava intorno e la cui regione più vicina era molto, molto calda: più di 1500°C ( per confronto, il pianeta più caldo nel Sistema solare oggi, Venere, raggiunge in superficie solo 467°C, comunque sufficienti a sciogliere il piombo). Quando il disco si raffreddò, i primi minerali cominciarono a formarsi: cristalli di hibonite blu. «I grani minerali più grandi delle antiche meteoriti sono solo alcune volte il diametro di un capello umano. Quando guardiamo una pila di questi granelli al microscopio, i grani di hibonite si distinguono come piccoli cristalli blu chiaro: sono piuttosto belli», commenta Andy Davis, coautore dello studio, anch’egli affiliato al Field Museum e all’Università di Chicago. Questi cristalli contengono elementi come calcio e alluminio.

«Quasi nulla nel Sistema solare è abbastanza vecchio da confermare davvero l’attività del primo Sole, ma questi minerali provenienti dalle meteoriti nelle collezioni del Field Museum sono sufficientemente antichi: sono probabilmente i primi minerali che si sono formati nel Sistema solare», aggiunge Philipp Heck, curatore del Field Museum e professore all’Università di Chicago, che ha lavorato allo studio.

Quando i cristalli si erano appena formati, il giovane Sole continuava a emettere flare, sparando nello spazio protoni e altre particelle subatomiche. Alcune di queste particelle investivano i cristalli di hibonite e quando i protoni colpivano gli atomi di calcio e di alluminio al loro interno, gli atomi si dividevano in atomi più piccoli: neon ed elio. Tali gas nobili sono rimasti intrappolati all’interno dei cristalli per miliardi di anni e i cristalli a loro volta sono finiti inglobati in rocce che alla fine sono cadute sulla Terra come meteoriti.

Levke Kööp, l’autrice principale, in laboratorio. Crediti: Field Museum

Qui, gli scienziati nel tempo hanno esaminato le meteoriti alla ricerca dei segni di un giovane Sole attivo, ma non trovando nulla. Osserva però Kööp: «Se le persone in passato non li hanno visti, questo non significa che non fossero lì, potrebbe semplicemente indicare che non avessero strumenti abbastanza sensibili per trovarli». Lo strumento a disposizione di Kööp, Heck e colleghi, infatti, ha fatto la differenza: uno spettrometro di massa all’avanguardia, grande come un garage, in grado di  rilevare l’elio e il neon rilasciati da un grano di hibonite colpito da un laser. «Abbiamo ottenuto un segnale sorprendentemente ampio, che mostra chiaramente la presenza di elio e neon: è stato stupendo», afferma Kööp.

Il rilevamento di elio e neon fornisce la prima prova concreta dell’attività precoce del Sole. «Sarebbe come se conoscessi qualcuno come un adulto calmo – avresti ragione di credere che una volta fosse un bambino attivo, ma non avresti nessuna prova. Se potessi però andare nella sua soffitta e trovare i suoi vecchi giocattoli rotti e libri con pagine strappate, sarebbe la prova che quella persona una volta era un bambino decisamente agitato», dice Heck, e aggiunge: «Il Sole era molto attivo nei suoi primi anni di vita, aveva più eruzioni ed emetteva un flusso più intenso di particelle cariche. Mi ricorda mio figlio, ha tre anni ed è veramente iperattivo».

«Oltre a trovare finalmente prove chiare nelle meteoriti che i materiali del disco furono irradiati direttamente, i nostri nuovi risultati indicano che i materiali più antichi del Sistema solare hanno subito una fase di irradiazione che invece quelli più giovani hanno evitato. Pensiamo che ciò significhi che un grande cambiamento accadde nel Sistema solare in formazione dopo che l’hibonite si era costituita; forse l’attività del Sole diminuì, o forse i materiali formatisi più tardi non furono in grado di viaggiare verso le regioni del disco in cui era possibile l’irradiazione», spiega Kööp.

Diversamente da altri indizi della forte attività del Sole giovane rispetto a oggi, la composizione dei cristalli di hibonite non permette altre buone spiegazioni. «È sempre bello vedere un risultato che può essere interpretato chiaramente. Più semplice è una spiegazione, maggiore è la fiducia che abbiamo in essa», dichiara Heck, e conclude: «Ciò che ritengo eccitante è che questo ci parla delle condizioni nel Sistema solare primitivo, e infine conferma un sospetto di vecchia data. Se comprendiamo meglio il passato, acquisiremo una migliore comprensione della fisica e della chimica del nostro mondo naturale».

Per saperne di più:

• Leggi su Nature Astronomy l’articolo “High early solar activity inferred from helium and neon excesses in the oldest meteorite inclusions“, di L. Kööp, P. R. Heck, H. Busemann, A. M. Davis, J. Greer, C. Maden, M. M. M. Meier e R. Wieler. 

Il Sole ripreso dall’osservatorio spaziale SDO della NASA durante il brillamento di classe M7.6, visibile in basso a destra del disco solare. L’immagine è stata presa con un filtro nella banda della radiazione ultravioletta.
Crediti: NASA/SDO

Alle 16:58 ora italiana di ieri, il Sole ha emesso un brillamento di media potenza, ripreso in questa immagine dall’osservatorio spaziale della NASA SDO, Solar Dynamics Observatory, che osserva costantemente l’attività della nostra stella. I brillamenti solari sono violente emissioni di radiazioni che, quando incontrano la Terra, vengono assorbite dalla sua atmosfera, che ne annulla così i potenziali effetti dannosi sugli esseri viventi. Tuttavia, i brillamenti di potenza medio-alta possono recare disturbi, ad esempio, alle comunicazioni satellitari e ai segnali GPS. E così è accaduto ieri sopra i cieli del Sud America e dell’Oceano Atlantico, dove sono stati registrati brevi black-out radio.

L’intensità nei raggi X del brillamento di ieri, emesso dalla regione attiva denominata AR2422, è stata classificata come M7.6, un valore elevato ma inferiore agli eventi più violenti, a cui viene attribuita la lettera X (che sta per Extreme, estremo).